В. Н. Шивринский проектирование информационных систем учебно-методический комплекс

Вид материала

Учебно-методический комплекс

Содержание Физическая величина Значение физической величины Истинное значение физической величины Действительное значение физической величины Единица физической величины Система единиц физических величин Проектирование информационных систем Структурная схема элементарной базовой системы контроля Структурная схема элементарной базовой системы управления Глава 2. Характеристики средств измерений Однозначные меры Набор мер Измерительными преобразователями Измерительными приборами Измерительной установкой Измерительная информационная система Рабочие средства измерений Воспринимающая способность Метод сравнения Средней чувствительностью ... Полное содержание

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс дисциплины проектирование информационных систем Для студентов, 466.59kb.
• Еремеев Андрей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры информационных, 344.4kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины проектирование информационных систем Специальность, 449.6kb.
• Учебно-методический комплекс по специальности 230700  «Прикладная информатика в геодезии», 383.76kb.
• В. Н. Шивринский проектирование информационных систем тесты, 1429.35kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине дс. 01 -проектирование и надежность систем, 688.46kb.
• И. Д. Алекперов учебно-методический комплекс дисциплины "информатика" Ростов-на-Дону, 952.05kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «Теория экономических информационных систем», 1507.83kb.
• Учебно-методический комплекс для студентов заочного обучения специальности Прикладная, 63.23kb.
• Учебно-методический комплекс для специальности 080301 Коммерция (торговое дело) Москва, 698.21kb.

В. Н. Шивринский


ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ИНФОРМАЦИОННЫХ

СИСТЕМ


Учебно-методический комплекс


Ульяновск 2006


Предисловие


Учебным планом по дисциплине предусмотрено 119 часов аудиторных занятий, из них лекции – 51 час, лабораторные работы – 51 час, практические занятия – 17 часов, 85 часов для самостоятельной работы, зачет в седьмом семестре, курсовой проект и экзамен в восьмом семестре.

Дисциплина знакомит студентов с устройством различных информационных измерительных систем (ИИС), принципами их построения и применения, методами проектирования. В результате изучения дисциплины студенты должны приобрести знания об основных структурах, алгоритмах работы, характеристиках ИИС и их частей. Объем этих знаний должен быть достаточным для оценки метрологических характеристик, выбора и организации совместной работы функциональных блоков ИИС конкретного применения. Предполагается, что студенты знакомы с теоретическими основами и средствами измерительной, вычислительной техники, языками программирования.

Изучение курса следует начинать с проработки программного материала по рекомендованной литературе и конспекту лекций. После изучения соответствующих разделов можно выполнять лабораторные работы. Завершающей стадией обучения является курсовое проектирование. Курсовой проект содействует систематизации, закреплению и расширению научно-технических знаний в соответствии с современными достижениями отечественной и зарубежной науки и техники, овладению методами научных исследований и углубленному изучению отдельных вопросов в соответствии с темой проекта.

Студенты самостоятельно выбирают тему проекта, которая согласуется с руководителем. Тематика курсовых проектов должна отражать содержание курса «Проектирование информационных систем» и может включать разработку следующих систем: 1) горизонтальный астрокомпас; 2) горизонтальный астроориентатор; 3) пилотажно-навигационная система воздушных сигналов; 4) навигационная система воздушного счисления пути; 5) инерциальная навигационная система; 6) курсовая система; 7) командно-пилотажная навигационная система; 8) система контроля топливной аппаратуры; 9) система автоматизированной поверки электроизмерительных приборов; 10) компьютерная модель лабораторного стенда.

При проведении лабораторных занятий используются также компьютерные модели лабораторных стендов по метрологии и измерительной технике, навигационным и радиотехническим системам, разработанные студентами факультета информационных систем и технологий Ульяновского технического университета в курсовых и дипломных проектах. Примеры виртуальных лабораторных работ приведены в директориях Um_pris\lab\1\ и Um_pris\lab\4\ .

Рекомендуемая литература

Основная:

1. Боднер В. А. Приборы первичной информации. – М.: Машиностроение, 1981. – 344 с.

2. Браславский Д. А. Приборы и датчики летательных аппаратов. – М.: Машиностроение, 1970. – 392 с.

3. Помыкаев И. И., Селезнев В. П., Дмитроченко Л. А. Навигационные приборы и системы. – М.: Машиностроение, 1983. – 456 с.

4. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 439 с.

5. Соломатин Н. М., Шервитис Р. П., Макшанцев М. М. Выбор микроЭВМ для информационных систем. – М.: Высш. шк., 1987. – 109 с.

6. Основы метрологии и электрические измерения / Б. Я. Авдеев, Е. М. Антонюк, Е. М. Душин и др.; Под ред. Е.М.Душина. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. – 480 с.

7. Савельев А. Я., Овчинников В. А. Конструирование ЭВМ и систем. – М.: Высш.шк., 1989. – 312 с.

Дополнительная

8. Федоров А. М., Цыган Н. Я., Мичурин В. И. Метрологическое обеспечение электронных средств измерений электрических величин. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 208 с.

9. Балашов Е. П., Пузанков Д. В. Проектирование информационно-управляющих систем. – М.: Радио и связь, 1987. – 256 с.

10. Каган В. М., Сташин В. В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 304 с.

11. Фридмен М., Ивенс Л. Проектирование систем с микрокомпьютерами. – М.: Мир, 1986. – 405 с.

12. Добрынин Е. М. Приборы автоматического контроля размеров в машиностроении. – М.: Машгиз, 1960. – 302 с.

13. Браславский Д.А., Логунов С.С., Пельпор Д.С. Авиационные приборы и автоматы. – М.: Машиностроение, 1978. – 432 с.

14. Браславский Д. А., Петров В. В. Точность измерительных устройств. – М.: Машиностроение, 1976. – 312 с.

15. Селезнев В. П. Навигационные устройства. – М.: Машиностроение, 1974. – 600 с.

16. Чернявский Е. А., Недосекин Д. Д., Алексеев В. В. Измерительно-вычислительные средства автоматизации производственных процессов. – Л.: Энергоатомиздат, 1989. – 272 с.

17. Гуткин Л. С. Проектирование радиосистем и радиоустройств. – М.: Радио и связь, 1980. – 288 с.

18. Липаев В. В. Проектирование программных средств. – М.: Высшая школа, 1990. – 303 с.

19. Колосов В. Г., Мелехин В. Ф. Проектирование узлов и систем автоматики и вычислительной техники. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 256 с.

20. Капиев Р. Э. Измерительно-вычислительные комплексы. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 176 с.

21. Интерфейсы систем обработки данных: Справочник /А. А. Мячев, В. Н. Степанов, В. К. Щербо. – М.: Радио и связь, 1989. – 416 с.

22. Гордеев А. А., Кирпичникова Л. Г. Пособие по проектированию автоматических информационных устройств по курсу «Автоматические информационные устройства и системы летательных аппаратов». – М.: МАИ, 1975. – 79 с.

23. Вальков В. М., Вершин В. Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. – Л.: Политехника, 1991. – 269 с. 

При проведении лабораторных занятий, курсовом проектировании используются методические разработки Шивринского В. Н.:

- Методическое руководство к лабораторным работам по курсу «Навигационные системы и гироприборы», 1977. – 158 с.

- Решение полярного треугольника светила с помощью микрокалькулятора «Электроника Б3 - 34», 1983. – 47 с.

- Метрология и измерительная техника. Многоканальный программируемый вольтметр: Сборник лабораторных работ, 1988. – 32 с.

- Навигационные системы: Сборник лабораторных работ, 1988. – 32 с.

- Метрологическое обеспечение авиационных приборов и измерительно-вычислительных комплексов: Сборник лабораторных работ, 1990. – 40 с.

- Интерфейсы измерительно-вычислительных комплексов: Сборник лабораторных работ, 1992. – 40 с.

- Проектирование измерительно-вычислительных комплексов: Сборник лабораторных работ, 1993. – 40 с.

- Основы проектирования измерительно-вычислительных комплексов: Сборник лабораторных работ, 1996. – 28 с.

- Исследование интерфейсов ИВК: Сборник лабораторных работ для студентов направления 551500, 2001. – 36 с.

- Исследование двухуровневого ИВК: Сборник лабораторных работ для студентов направления 551505, 2001. – 32 с.

- Проектирование информационных систем: Сборник лабораторных работ для студентов специальности 071900, 2002. – 40 с.

- Исследование приборного интерфейса: Сборник лабораторных работ, 2004. – 40 с.

- Измерительно-вычислительные комплексы: Курсовое проектирование, 1994. – 24 с.

- Основы проектирования измерительно-вычислительных комплексов: Конспект лекций для студентов направления 5515, 1995. – 144 с.

- Основы метрологии и электрические измерения: Конспект лекций для студентов направления 5515, 1999. – 124 с.

Учебно-методическая карта дисциплины

Тема 1. Основные понятия и определения.

Введение. Предмет курса. Понятие «измерение». Структурные схемы средств измерений. Виды измерений. Прямые, косвенные, совокупные, совместные измерения [Л.2, с.3 - 6; Л.6, с.10 - 23].

Виды погрешностей измерений и источники их появления. Систематические погрешности. Погрешности косвенных измерений. Случайные погрешности [Л.6, с.23 - 35].

Тема 2. Характеристики средств измерений.

Классификация средств измерений. Статические характеристики средств измерений. Динамические характеристики средств измерений [Л.1, с.49 - 50, 88 - 98; Л.2, с.7 - 11, 18 - 20, 44 - 55].

Погрешности средств измерений. Нормирование метрологических характеристик [Л.1, с.102 - 122; Л.2, с.98 - 102; Л.6, с. 52 - 61].

Автоматизированные информационные системы. Государственная система приборов и агрегатные комплексы. Основные блоки измерительных систем. Основные структуры автоматизированных измерительных систем [Л.16, с.93 - 106; Л.6, с.47 - 51].

Тема 3. Основные этапы проектирования приборов и ИИС.

Техническое задание (ТЗ). Техническое предложение. Эскизный проект, технический проект, рабочая документация [Л.7, с.7 - 13].

Цикл проектирования системы. Язык проектирования. Требования пользователей и функциональная спецификация [Л.11, с.18 - 52].

Тема 4. Основы проектирования приборов.

Выбор метода измерения и формирование структурной схемы [Л.1, с.44 - 49; Л.13, с.24 - 31].

Выбор чувствительного элемента [Л.1, с.53 - 56; Л.13, с.21 - 24]. Принципы конструирования приборов [Л.13, с.31 - 32; Л.7, с.13 - 19].

Тема 5. Расчет характеристик приборов и систем.

Общие понятия. Методы расчета статических характеристик [Л.1, с.49 - 88; Л.2, с.18 - 44; Л.13, с.46 - 52].

Методы расчета динамических характеристик. Оптимизация параметров приборов и систем [Л.1, с.88 - 101, 147 - 159; Л.2, с.44 - 98; Л.13, с.52 - 64].

Тема 6. Расчет погрешностей приборов и систем.

Определение погрешностей измерительного звена по его расчетной характеристике [Л.1,с.108 - 121; Л.2, с.102 - 107; Л.13, с.69 - 75].

Определение погрешностей прибора по структурной схеме [Л.1, с.124 - 144; Л.2, с.108 - 125; Л.13, с.75 - 79].

Расчет допусков на погрешность прибора [Л.13, с.79 - 84].

Тема 7. Общая характеристика измерительно-вычислительных комплексов.

Структуры ИВК. Характеристики ИВК. Принципы формирования комплексов получения информации [Л.20, с.20 - 40].

Тема 8. Средства системного обмена.

Общая характеристика интерфейсов. Классификация интерфейсов [Л.20, с.69 - 75; Л.21, с.8 - 10, 28 - 30].

Системные интерфейсы [Л.21, с.31 - 48].

Интерфейсы магистрально-модульных мультипроцессорных систем [Л.21, с.228 - 240].

Интерфейсы периферийного оборудования. Интерфейс ИРПР. Интерфейс ИРПС [Л.21, с.55 - 66].

Интерфейсы программируемых приборов. Общее построение интерфейса Hewlett-Packard [Л.21, с.167 - 177].

Интерфейсы системы КАМАК [Л.21, с.187 - 211].

Структуры средств системного обмена [Л.20, с.84 - 97].

Тема 9. Субкомплексы.

Групповые нормирующие преобразователи. Субкомплексы с программируемой структурой. Структуры измерительной части СПС. Реализация структур субкомплексов [Л.20, с.97 - 128].


Примерный перечень лабораторных работ

1. Изучение и исследование интерфейса ИРПР.

2. Изучение и исследование интерфейса ИРПС.

3. Изучение и исследование приборного интерфейса.

4. Изучение и исследование контроллера интерфейса IEEE-488.

5. Изучение учебного микропроцессорного комплекта УМК.

6. Изучение и исследование ЦАП.

7. Изучение и исследование АЦП.

8. Вычисление барометрической высоты и истинной воздушной скорости.

9. Изучение и исследование ИВК в составе навигационного автомата воздушного счисления пути.

10. Решение полярного треугольника светила.

11. Изучение и исследование ИВК в составе горизонтального астрокомпаса.

12. Изучение и исследование ИВК в составе горизонтального астроориентатора.

13. Изучение и исследование ИВК «Курсор». Работа с внешними дискретными устройствами.

14. Исследование метрологических характеристик ИВК «Курсор». Работа с драйверами ввода-вывода аналоговых сигналов.

Электронные версии методических пособий по проведению лабораторных занятий приведены в директории Um_pris\lab\ .

Конспект лекций

Глава 1. Основные термины и определения


Измерительная техника является важнейшим фактором научного и технического прогресса во всех областях народного хозяйства. Электроизмерительная техника, как часть измерительной техники, имеет особое значение благодаря широким возможностям, которые делают ее универсальной.

Электрическими методами измеряются практически все физические величины - электрические и неэлектрические. Диапазон измеряемых физических величин довольно велик: силы тока от 10^-16 А до сотен тысяч ампер; напряжения от 10^-9 В до десятков миллионов вольт; сопротивления от сотых долей микроома до 10¹⁶ Ом и т. д.

Разнообразны условия измерений - от благоприятных условий метрологических лабораторий до очень тяжелых промышленных, полевых, транспортных. Различны и требования к точности результатов измерений. Еще сравнительно недавно измерения электрических величин с погрешностями, не превышающими 0.1-0.01% , производились только в лабораторных условиях. В настоящее время такая точность необходима и при промышленных измерениях.

Проникновение микропроцессоров в измерительную технику улучшило многие характеристики средств измерений, придало им новые свойства. С помощью микропроцессорных систем достигаются многофункциональность приборов, упрощение управления измерительной процедурой, автоматизация регулировок, самокалибровка и автоматическая поверка, улучшение метрологических характеристик, выполнение вычислительных операций, статистическая обработка результатов наблюдений, создание программируемых, полностью автоматизированных приборов.

В современной промышленности для оптимального управления технологическими процессами требуется получение информации о большом числе параметров объектов, а также оперативная обработка этой информации. Это привело к появлению и развитию сложных систем, предназначенных для автоматического сбора и переработки информации. Такие системы получили название измерительных информационных систем (ИИС).

Предмет курса, понятие «измерение»

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Физическая величина - свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении - индивидуальное для каждого объекта. Например, электрическое напряжение - это свойство, в качественном отношении общее для всех источников электрической энергии - от гидроэлектростанции до батарейки наручных часов; в количественном отношении напряжения источников различны.

Значение физической величины - оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Например, значение напряжения (не «величина напряжения»!) 220 В. Число 220 называется числовым значением, В – вольт - единица напряжения.

Истинное значение физической величины - значение физической величины, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство данного объекта. Истинное значение практически недостижимо.

Действительное значение физической величины - значение, полученное экспериментальным путем и настолько приближенное к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Единица физической величины - физическая величина, которой по определению присвоено значение 1. Единицы физических величин делятся на основные, выбираемые произвольно при построении системы единиц, и производные, образуемые в соответствии с уравнениями связи с другими единицами данной системы единиц.

Система единиц физических величин - совокупность основных и производных единиц, относящаяся к некоторой системе величин. В нашей стране действует ГОСТ 8.417-81 «Единицы физических величин», которым установлено обязательное применение Международной системы единиц СИ, принятой в 1960 году 11 Генеральной конференцией по мерам и весам.

Проектирование информационных систем - дисциплина знакомит студентов с устройством различных измерительных информационных систем, принципами их построения и применения, методами проектирования.

Прежде чем рассматривать непосредственно методы измерений, остановимся на понятии «измерение» в общем смысле слова. Измерение - это процесс сравнения двух величин и выражение результата измерения цифрой, имеющей размерность.

Структурные схемы средств измерений

Структурная схема элементарной базовой системы измерения представлена на рис.1.1. Здесь Ч - чувствительный элемент, который воспринимает воздействие объекта; М - мерный элемент, хранитель эталона; СР₁ - сравнивающий элемент {сравнивает две величины X^'(t) и X_эт(t)}; И - исполнительный элемент - конечный элемент, несущий сигнал в необходимой форме.



Рис.1.1. Структурная схема элементарной

базовой системы измерения


В результате измерения получим именованное число. Например, размер детали Х_из = 20 мм, а задано Х_з = 18 мм. Разность  = Х_из - Х_з = 20 - 18 = 2 мм, где  - отклонение от нормы. Одного процесса измерения мало, необходимо вести контроль. Определяя отклонение , мы определяем, например, необходимую подачу для снятия излишнего металла (2 мм). В простейшем случае эти операции выполняет человек. При автоматизации производственных процессов операция контроля поручается самому измерительному прибору.

Структурная схема элементарной базовой системы контроля представлена на рис.1.2. Схема содержит систему измерения и задающий элемент З - задатчик нормы измеряемой величины, а также CР₂ - второе сравнивающее устройство.



Рис.1.2. Структурная схема элементарной

базовой системы контроля

Контроль является составной операцией: а) измерение величины, б) сравнение измеряемой величины с нормой. Результатом является не величина, а отклонение ее от нормы.

Задающий сигнал Х_з(t) может быть 3-х видов: 1) const; 2) f(t) - заданная функция времени; 3) f(t) = ? - неизвестная функция. В первом случае речь идет о стабилизирующем контроле, когда определяется отклонение от постоянной величины. Во втором случае определяется отклонение от заданной функции времени f(t) - программный контроль. В третьем случае определяется отклонение от заранее неизвестной, но существующей функции - следящий контроль.

Если полученное в процессе контроля отклонение от нормы подать на вход автоматического устройства (например, автоматического станка), то получим схему автоматического регулирования, с помощью которой отклонение от нормы не будет превышать заданного значения (в идеальном случае стремится к нулю).

Структурная схема элементарной базовой системы регулирования представлена на рис.1.3. Здесь СК - система контроля, ПР - преобразователь.



Рис.1.3. Структурная схема элементарной

базовой системы регулирования


В данном случае осуществляется регулирование по  или по (/Х) = ( - рассогласование), т. е. процесс (объект) регулируется по отклонению. Также, как и для системы контроля, Х_з(t) может быть трех видов: 1) const; 2) f(t) - заданная функция времени; 3) f(t) = ? - неизвестная функция. В первом случае речь идет об автомате стабилизации, 2) - о программном регулировании, 3) - о синхронно-следящем регулировании.

Воздействовать на вход объекта или на процесс можно и с помощью системы управления.

Структурная схема элементарной базовой системы управления представлена на рис.1.4. Здесь _упр - сигнал управления (с какого-то носителя информации, например магнитной ленты). Управление рассматривается как воздействие на управляемый процесс по определенной программе.



Рис.1.4. Структурная схема элементарной

базовой системы управления


Для управления современными технологическими процессами, объектами приходится измерять несколько параметров (может быть несколько сотен) и по ним принимать решение о воздействии на объект. Чем выше уровень автоматизации, тем больше различных вычислительных операций выполняют сами приборы. В этом случае необходимым звеном в системе измерения является вычислительное устройство.


Виды измерений

Измерения могут быть прямыми, косвенными, совокупными, совместными. При прямых измерениях процесс измерения производится над самой измеряемой величиной, имея в виду то или иное ее проявление. При косвенных измерениях значение искомой величины Х определяется расчетным путем на основании прямых измерений других величин, связанных с измеряемой известной зависимостью. При совокупных измерениях значения нескольких искомых величин определяются на основе прямых или косвенных измерений других величин путем решения системы соответствующих уравнений. При совместных измерениях производят одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.


Виды погрешностей измерений и источники их появления

Обязательными компонентами любого измерения являются: 1) физическая величина, значение которой нужно измерить; 2) единица физической величины; 3) метод измерения; 4) средство измерения; 5) наблюдатель (ЭВМ); 6) условия окружающей среды; 7) результат измерения.

Погрешность вызывается совместным изменением перечисленных выше компонент в процессе измерения физической величины.

Результат измерения Х представляет собой лишь оценку измеряемой величины, в нем заключена некоторая погрешность

 = Х - Х_и. (1.1)

Так как истинное значение Х_и неизвестно, то

 = Х - Х_д. (1.2)

Здесь Х_д - действительное значение измеряемой величины;  - абсолютная погрешность измерения.

Часто погрешность выражается в относительных единицах, %

 = (/Х) 100  (/Х_д) 100. (1.3)

Точность измерений - это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность измерений может быть выражена значением, обратным модулю относительной погрешности: Т = 1/. Высокая точность измерений соответствует малым значениям погрешности.


Погрешности косвенных измерений

Пусть результат измерения Х есть функция некоторых величин A, B, C, ..., полученных в результате прямых измерений с погрешностями A, B, C, ... . При этом считаем, что «первичные» погрешности A, B, C, ... малы по сравнению со значениями самих величин и взаимно независимы. Итак, имеем

X = f(A, B, C, ...) . (1.4)

Здесь A = A_O + A, B = B_O + B, C = C_O + C, ...; A_O, B_O, C_O, ... - истинные значения измеренных величин.

Раскладывая уравнение (1.4) в ряд Тейлора, ограничиваясь первыми членами разложения и вычитая из полученного уравнения уравнение (1.4), получим выражение для погрешности косвенных измерений в следующем виде

X = (df/dA)A + (df/dB)B + (df/dC)C + ... (1.5)

Коэффициенты df/dA, df/dB, df/dC, ... называют коэффициентами влияния, показывающими степень влияния первичных погрешностей A,B,C, ... на результирующую погрешность Х.

Иногда текущие значения первичных погрешностей A, B, C неизвестны, а известны лишь их предельные значения. В этом случае погрешность косвенных измерений вычисляют по уравнению (1.6).

X = (1.6)

Систематические погрешности

Систематическими называют погрешности, остающиеся постоянными или изменяющиеся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины. Они могут быть изучены, результат измерения может быть уточнен или путем внесения поправок, если числовые значения этих погрешностей определены, или путем применения таких способов измерения, которые дают возможность исключить влияние систематических погрешностей без их определения.

Случайные погрешности

Случайными называют погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности не могут быть исключены из результатов измерений как систематические погрешности. Однако при проведении некоторого числа повторных измерений теория вероятности позволяет несколько уточнить результат, т. е. найти значение измеряемой величины более близкое к истинному, чем результат одного измерения.


Глава 2. Характеристики средств измерений

Классификация средств измерений

Все средства измерений делятся на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы. В свою очередь, каждое из средств измерений может быть образцовым или рабочим.

Мерой называется средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (значения). Меры бывают однозначные, многозначные и наборы.

Однозначные меры воспроизводят физическую величину одного размера. Многозначные ряд одноименных величин разного разряда (например, конденсатор переменной емкости).

Набор мер содержит комплект мер, применяемых как в отдельности, так и в различных сочетаниях. Набор мер, конструктивно объединенный в одно целое с переключающими устройствами для воспроизведения ряда одноименных величин различного значения (размера), называется магазином (магазин сопротивлений и др.).

Измерительными преобразователями называют средства измерений, предназначенные для выработки сигналов в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки, хранения, но не поддающиеся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительными приборами называют средства измерений, предназначенные для выработки сигналов, функционально связанных с измеряемыми физическими величинами, в форме, доступной для восприятия наблюдателем.

Измерительной установкой называется совокупность функционально и конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для рациональной организации измерений. Измерительная установка позволяет предусмотреть определенный метод измерения и заранее оценить погрешность.

Измерительная информационная система представляет собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенную для автоматического сбора информации от ряда источников с многократным использованием измерительных преобразователей, передачи измерительной информации на те или иные расстояния по каналам связи и представления ее в том или ином виде.

Рабочие средства измерений применяются для измерений не связанных с поверкой, т. е. передачей размера единиц.

Образцовые средства измерений служат для поверки других средств измерений, т. е. для передачи размера единицы физической величины. По точности образцовые средства измерений делятся на четыре разряда, каждый из которых соответствует одной ступени поверочной схемы.

Среди образцовых средств измерений особое место занимает эталон единицы физической величины, который предназначен для воспроизведения и хранения единицы физической величины с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений.

Средства измерений можно классифицировать по весьма разнообразным признакам, которые в большинстве случаев взаимно независимы и в каждом средстве измерений могут находиться почти в любых сочетаниях.

Признаки классификации: 1) принцип действия; 2) способ образования показаний; 3) точность; 4) условия применения; 5) степень защищенности от внешних магнитных и электрических полей; 6) прочность и устойчивость против механических воздействий и перегрузок; 7) чувствительность; 8) пределы и диапазоны измерений и т. д.

Рассматривая приборы в виде, представленном на рис.1.1-1.2, их можно также классифицировать по следующим признакам:

1) по воспринимающей способности, 2) по виду сравнивающего элемента (по методу сравнения), 3) по типу задающего элемента.

Воспринимающая способность зависит от характера входной величины. Х(t) может быть следующих видов: 1) Х=const; 2) Х=var: а) среднее значение – медленно меняющаяся величина; б) флуктуации (пульсации); в) переходный процесс.

Приборы, измеряющие постоянные величины, можно назвать приборами статических измерений. Приборы, которые измеряют переменные, но средние по значению величины, называют квазистатическими. Приборы, которые измеряют флуктуации и переходный процесс, называют динамическими.

Выбор вида чувствительного элемента зависит от типа входного воздействия. Кроме того, вид чувствительного элемента определяется областью применения прибора. Приборы для измерения напряжения, давления, температуры и др. имеют разные виды чувствительных элементов.

Метод сравнения - это существо процесса измерения. Поэтому методы сравнения часто называют методами измерения. Различают следующие методы измерения.

1) Метод непосредственной оценки - когда значение измеряемой величины определяется непосредственно по отсчетному устройству одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины. Этот метод самый неточный.

2) Приборы метода сравнения: а) дифференциальной реализации,

б) нулевой реализации, в) совпадения.

Прибор дифференциальной реализации - это прибор метода сравнения, когда производится неполное уравновешивание и небольшая разность между уравновешиваемыми величинами оценивается прибором непосредственной оценки. Примером могут служить неуравновешенные мосты.

Прибор нулевой реализации - это прибор метода сравнения, когда производится полное уравновешивание двух величин (в пределах чувствительности указателя равновесия). Вместе с тем он называется компенсационным (компенсируем до нуля). Примером могут служить уравновешенные мосты, потенциометры.

Прибор совпадения - это прибор метода сравнения, в котором равномерно нанесенные отметки или периодически следующие сигналы, соответствующие измеряемой величине, сопоставляются с подобными же отметками или сигналами, относящимися к известной величине, и по их совпадению судят о значении измеряемой величины. Здесь примером могут служить нониусные приборы, стробоскопы, электронные осциллографы.

Для приборов контроля по типу задающего элемента мы уже рассматривали: стабилизированный, программный, следящий контроль.

Эти три элемента (чувствительный, сравнивающий, задающий) дают основу классификации средств измерений.

Статические характеристики средств измерений

Измерительные приборы можно рассматривать как преобразователи измеряемой величины X(t) в выходной сигнал У(t) (рис.2.1).



Рис.2.1. К определению статической характеристики прибора


В динамическом режиме измерения величины X(t) и У(t) непрерывно изменяются, связь между ними определяется дифференциальным уравнением. В установившемся режиме измерения все производные величин X и У обращаются в нуль, и дифференциальное уравнение переходит в алгебраическое, выражающее статическую характеристику прибора (функцию преобразования, градуировочную характеристику):

У = f(X). (2.1)

Уравнение (2.1) называют основным уравнением прибора. Графическое изображение статической характеристики прибора приведено на рис.2.2.



Рис.2.2. Статическая характеристика прибора


Функция преобразования позволяет определить важные свойства средства измерения. Любой прибор имеет пределы измерения - наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины, которые могут быть измерены данным средством измерений. Абсолютное значение диапазона измерений X_диап определяется как разность верхнего (X_В) и нижнего (X_Н) пределов измерения:

X_диап =  X_в - X_н . (2.2)

При выходе X за пределы диапазона измерения выходной сигнал У обычно сохраняет постоянное значение благодаря наличию упоров или вследствие насыщения. Диапазон измерения может быть выражен и в единицах выходной величины:

У_диап =  У_в - У_н . (2.3)

Здесь У_в и У_н - значения У, отвечающие X_в и X_н.

Чувствительностью прибора называется предел отношения приращения выходной величины к приращению входной величины, когда последнее стремится к нулю:

S = lim (У/X) = dУ/dX = (m_y/m_x)tg. (2.4)

X0

Здесь m_y и m_x - масштабы графика по осям У и X; - угол наклона касательной к характеристике в заданной точке.

Средней чувствительностью прибора называется отношение абсолютных величин диапазонов измерений на выходе и на входе:

S_ср = У_диап/X_диап = (m_y/m_x)tg₁. (2.5)

Здесь ₁ - угол наклона хорды, стягивающей две точки статической характеристики, соответствующие нижнему и верхнему пределам измерений.

У приборов с линейной характеристикой чувствительность в любой точке характеристики совпадает по значению со средней чувствительностью:

S_ср = S = У_диап/X_диап. (2.6)

Некоторые приборы (вследствие влияния сил трения, люфтов или других причин) обладают зоной нечувствительности. В этом случае вводится понятие порога чувствительности, который равен минимальному приращению измеряемой величины X, при котором выходной сигнал У начинает изменяться.

Рассмотрим другие общие свойства и характеристики средств измерений. Отсчетное устройство прибора предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. У стрелочных приборов отсчетное устройство состоит из шкалы и указателя. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета. Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам, называется ценой деления.

Цена деления Ц равномерной шкалы равна конечному значению измеряемой величины по шкале А_к, деленному на число делений n:

Ц = А_к/n. (2.7)

Цену деления обычно выбирают кратной погрешности прибора:

Ц = 2 или Ц = 4. (2.8)

Вариацией показаний прибора называют наибольшую разность между показаниями, полученными при многократно повторенных измерениях одной и той же величины.

Входное сопротивление прибора характеризует реакцию входного сигнала на подключение данного прибора к источнику входного сигнала с фиксированным выходным сопротивлением. Входное сопротивление зависит от частоты, на которой производится измерение (Z_ВХ - комплексное сопротивление).

Выходное сопротивление - характеризует реакцию выходного сигнала на подключение к выходным зажимам фиксированной нагрузки.

Возникает необходимость согласования выходного сопротивления источника сигнала и входного сопротивления прибора.

Стабильность средства измерения является качественным показателем, отражающим неизменность во времени его метрологических свойств.

Надежностью средства измерения называется свойство выполнять свою функцию, сохраняя установленные эксплуатационные характеристики в определенных пределах в течение заданного времени, в заданных условиях. Надежность характеризуется средним временем безотказной работы при установленной доверительной вероятности.

Помехоустойчивость - свойство прибора правильно воспроизводить значение измеряемой величины при наличии внутренних (флуктуации, фон) и внешних помех.

Диапазон рабочих частот - полоса частот, в пределах которой погрешность прибора нормирована.

Динамические характеристики средств измерений

К динамическим характеристикам средств измерений относятся дифференциальное уравнение, переходная характеристика, передаточная функция, совокупность амплитудно- и фазочастотных характеристик, время установления показаний и др.

Погрешности средств измерений

При измерениях всегда получают приближенное значение измеряемой величины. Погрешности средств измерений можно классифицировать по различным признакам: по размерности, по характеру связи между значением погрешности и уровнем сигнала, по закономерности появления при многократных испытаниях средств измерений, по условиям и причинам появления.

Классификация погрешностей по размерности. В зависимости от размерности различают

- абсолютные погрешности,

- относительные погрешности,

- относительные приведенные погрешности.

Абсолютные погрешности средств измерений могут быть выражены или в единицах измеряемой величины X (см. уравнения 1.1-1.2), или в единицах выходного сигнала У. Такой способ выражения погрешности удобен для случаев, когда в результат измерения вводится поправка, или результат измерения выражается в логарифмической форме в децибелах.

Относительные погрешности также могут рассматриваться по отношению к Х (см. уравнение 1.3) или к выходному сигналу У, %:

_y = (_y/У) 100  (_y/У_д) 100. (2.9)

Если характеристика прибора линейна и проходит через начало координат, то _y = .

Для измерительных приборов электрических величин относительную погрешность часто выражают в виде приведенной погрешности :

 = (/X_N) 100. (2.10)

Здесь Х_N - нормирующее значение величины, равное верхнему пределу измерения, диапазону измерения, длине шкалы и т.д.

Классификация погрешностей по характеру связи между значением погрешности и уровнем сигнала. По данному признаку различают

- аддитивные ( _y = a ),

- мультипликативные ( _y = bX ),

- степенные ( _y = CX^m ),

- периодические [ _y = ASin(kX) ] погрешности.

Здесь a, b, C, m, A, k - const. Погрешность может быть комбинированной.

Классификация погрешностей по закономерности их появления при многократных испытаниях измерительных устройств. По данному признаку различают систематические и случайные погрешности.

Систематические погрешности имеют определенное значение в каждой точке характеристики измерительного устройства и повторяются при его многократных испытаниях в одних и тех же условиях.

Случайные погрешности - это погрешности, имеющие рассеяние по значению и знаку при многократных испытаниях в одних и тех же условиях, причем появление тех или иных значений случайных погрешностей при единичных замерах незакономерно.

Классификация погрешностей по причинам их появления. По данному признаку погрешности можно разделить на две группы: методические и инструментальные погрешности.

Методические погрешности возникают вследствие: 1) неточности принятого функционала метода измерения; 2) изменения физических параметров, принимаемых за константы; 3) неполного учета физических параметров, влияющих на метод измерения; 4) искажения измеряемых величин, вызванных влиянием внешних условий; 5) искажения измеряемых величин, вызванных относительным движением тел и среды; 6) естественных и организованных помех.

Инструментальные погрешности возникают вследствие: 1) несовершенства технологического процесса изготовления прибора; 2) изменения геометрических размеров и физических характеристик деталей и узлов прибора при изменении окружающих условий; 3) изменения характеристик прибора при изменении режимов питания.

Классификация погрешностей по условиям их появления. По данному признаку погрешности можно разделить на две группы: статические и динамические погрешности.

Статические погрешности возникают при установившемся режиме измерения, когда измеряемая величина Х и выходной сигнал У сохраняют постоянное значение.

Динамические погрешности имеют место при неустановившемся режиме измерения. Под динамической понимают ту часть погрешности, которая добавляется к статической погрешности в неустановившемся режиме измерения.

Классификация погрешностей по условиям применения средств измерений. По условиям применения средств измерений различают основную и дополнительную погрешности.

Основная погрешность имеет место при нормальных условиях, которым отвечают нормальные климатические условия (давление воздуха 760 мм рт. ст., температура 20± 5^oС, влажность 20-60 %), нормальное положение прибора (горизонтальное или вертикальное), отсутствие переносных линейных и угловых ускорений, номинальный режим питания и т. п. Основная погрешность возникает под влиянием многих факторов, она формируется на всех этапах проектирования и изготовления измерительного устройства.

Дополнительной называется та часть погрешности, которая добавляется к основной погрешности при отклонении условий работы измерительного устройства от нормальных.

Нормирование метрологических характеристик

Метрологическими называются характеристики средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Метрологические характеристики нормируются, т. е. им предписываются определенные числовые значения для данного типа средств измерений, работающих в определенных условиях.

К нормируемым метрологическим характеристикам относятся: 1) пределы измерения (диапазон); 2) цена деления равномерной шкалы (при неравномерной шкале - минимальная цена деления); 3) выходной код, число разрядов, цена единицы наименьшего разряда кода приборов с цифровым отсчетом; 4) вариация показаний; 5) погрешность прибора (систематическая и случайная составляющие, суммарная погрешность); 6) входное и выходное сопротивления; 7) время установления показаний и др.

Для средств измерений электрических величин широко применяется понятие предел допускаемой погрешности средств измерений, соответствующий наибольшей (без учета знака) его погрешности, при которой средство измерений может быть признано годным. Это относится как к основной, так и к дополнительной погрешностям. Например, пределы допускаемой приведенной погрешности вольтметра класса точности 1.0 равны ±1% верхнего предела измерений.

В соответствии с ГОСТ 8.401-80 пределы допускаемой абсолютной основной погрешности устанавливаются:

_доп =  а (2.11)

или

_доп =  (а + bX) . (2.12)

Здесь X - значение измеряемой величины; а, b - положительные числа, не зависящие от X.

Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливаются:

_доп =  с (2.13)

или

_доп =  [c + d(X_k/X - 1)] . (2.14)

Здесь c и d - положительные числа; X_k - конечная отметка предела измерения.

Пределы допускаемой приведенной погрешности устанавливаются по формуле (2.13).

Можно пределы допускаемой относительной основной погрешности выражать в децибелах:

_доп = Alg(1 + /X). (2.15)

Здесь A - коэффициент, равный 10 при измерении мощности и 20 - при измерении напряжения, силы тока.

Средствам измерений часто устанавливается класс точности, которым называется обобщенная характеристика, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых установлены в стандартах на отдельные подгруппы или виды средств измерений. При этом класс точности характеризует точность средства измерений, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств.

Для средств измерений, у которых основную погрешность нормируют в виде предела приведенной погрешности, класс точности прибора К_п численно равен наибольшей допустимой приведенной основной погрешности, выраженной в процентах:

К_п = _max . (2.16)

Класс точности присваивают из ряда: 110ⁿ; 1.510ⁿ; 210ⁿ; 2.510ⁿ; 410ⁿ; 510ⁿ; 610ⁿ, где n = 1; 0; -1; -2 и т. д.

Из (2.16) следует, что значение максимальной допускаемой абсолютной погрешности данного прибора можно вычислить по его классу точности:

_max = ± К_пX_N/100. (2.17)


Автоматизированные информационные системы

Для современного этапа развития измерительной техники характерно все более широкое внедрение автоматизации измерений. К числу решаемых при этом задач относятся: 1) многофункциональность средств измерений; 2) программное управление; 3) автоматическое переключение пределов измерений и полярности; 4) минимизация числа органов управления; 5) самоконтроль и автокалибровка; 6) дистанционное управление; 7) выполнение вычислительных операций и математических преобразований; 8) автоматическая коррекция систематических погрешностей; 9) проведение косвенных и совокупных измерений с отображением непосредственно результата измерений; 10) запоминание выборок; 11) статистическая обработка результатов наблюдений; 12) автоматическая регистрация; 13) выдача результатов измерений в цифровом коде - возможность ввода в ЭВМ; 14) ослабление действия влияющих величин; 15) повышение общей и метрологической надежности; 16) выдача сигнальной информации о выходе измеряемого значения за допускаемые пределы; 17) защита от перегрузок; 18) возможность организации совокупности средств измерений в автоматическую измерительную систему; 19) построение систем автоматического сбора данных от многих источников с обработкой и анализом параметров; 20) автоматизация поверочной процедуры.

Решение задач автоматизации измерений на качественно новой основе стало возможным вследствие применения в средствах измерения микропроцессорных систем и микроЭВМ.


Государственная система приборов и агрегатные комплексы.

Основные блоки измерительных систем

Повышение требований к качеству и количеству средств измерений привело к системному подходу при их создании, который преследует цель минимизировать расходы с учетом затрат при производстве и применении средств измерений. Работы в этом направлении привели к созданию Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). ГСП определяется как совокупность изделий, предназначенных для использования в промышленности в качестве технических средств автоматических и автоматизированных систем контроля, измерения, регулирования и управления технологическими процессами.

ГСП охватывает все устройства, обеспечивающие формирование сигналов - носителей информации о значениях характеристик объекта управления (первичные преобразователи, датчики), нормирование сигналов (вторичные преобразователи, «нормализаторы»), функциональное преобразование в аналоговой или цифровой форме (функциональные преобразователи и процессоры), коммутацию, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование (коммутаторы, АЦП и ЦАП) и реализацию требуемого воздействия на объект (исполнительные устройства).

Методологическую основу ГСП составляет система государственных стандартов, устанавливающих общие технические требования, требования к входным и выходным сигналам, правилам информационного сопряжения и конструктивному исполнению.

Техническую основу ГСП составляют агрегатные комплексы, каждый из которых представляет собой совокупность технических средств, упорядоченных по функциям и параметрам.

Наиболее рациональный принцип построения измерительных информационных систем - принцип агрегатирования. Его сущность заключается в том, что система выполняется как агрегат, состоящий из независимых функциональных блоков - модулей.

Каждый блок (модуль) имеет конструктивную законченность. В качестве примеров функциональных блоков можно назвать АЦП и ЦАП, цифровой вольтметр, цифровой частотомер, измерительный генератор, принтер, таймер, дисплей и т. п.

Многообразие систем, построенных на агрегатном принципе, достигается путем использования различных сочетаний, комбинаций модулей. Предусматривается возможность наращивания структуры системы в процессе эксплуатации. Иногда модули объединяют в группы, называемые крейтами. При построении агрегатированной системы должны быть решены две основные задачи: совместимости и сопряжения модулей (как между собой, так и с внешними устройствами).

Для ИИС различают пять видов совместимости: информационную - согласованность входных и выходных сигналов модулей по видам и номенклатуре, информативным параметрам, уровням; конструктивную - согласованность конструктивных параметров, механических сопряжений модулей; энергетическую - согласованность напряжений и токов, питающих модули; метрологическую - сопоставимость результатов измерений, рациональный выбор и нормирование метрологических характеристик модулей, а также согласование входных и выходных цепей; эксплуатационную - согласованность характеристик модулей по надежности и стабильности, а также характеристик, определяющих влияние внешних факторов.

Преимущества принципа агрегатирования наиболее полно проявляются, если любые модули системы можно состыковать и объединить в систему без конструктивных изменений (доработок). Для этого необходимо унифицировать сопряжение между модулями. Такое сопряжение модулей между собой и с устройствами обработки информации достигается посредством интерфейса.

Общая схема модульной измерительной информационной системы показана на рис.2.3.




Рис.2.3. Общая модульная структура ИИС


Система разбита на модули, которые соответствуют функциям ВХОД, ВЫХОД, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛА, ЭВМ, КОМБИНИРОВАННАЯ АППАРАТУРА. Модули преобразования входного и выходного сигналов содержат компоненты, необходимые для обмена входными и выходными сигналами с внешней средой. Примерами таких компонентов являются аналогоцифровые и цифроаналоговые преобразователи.

Модули интерфейса ввода, ЭВМ и интерфейса вывода содержат ЭВМ и ее компоненты, а также интерфейсные компоненты, необходимые для связи ЭВМ с другими модулями системы. Модуль комбинированной аппаратуры содержит компоненты, необходимые для реализации остальных функций системы.


Основные структуры измерительных информационных систем

Можно выделить конструктивные, энергетические и информационные структуры. Первичной является структура информационных связей, которая содержит сведения о том, каким образом происходит обмен информацией. Распространенным способом представления структур информационного взаимодействия является структура информационных связей. Получили распространение каскадные (цепочные, кольцевые), радиальные и магистральные структуры (рис.2.4), а также их комбинации.





Рис.2.4. Типовые структуры ИИС: а) каскадные, б) радиальные, в) магистральные; ЦВМ - центральная вычислительная машина (устройство управления); 1, 2, 3 – компоненты ИИС


Каскадные структуры - это системы с децентрализованным управлением. Сигнал состояния предшествующего модуля является управляющим для последующего. Это простые структуры, с их помощью достигаются наилучшие временные характеристики.

В радиальных структурах ЦВМ определяет режимы работы модулей, конфигурацию и параметры измерительного тракта, производит обработку измерительной информации. Структуры имеют ограничения по наращиванию числа модулей, определяемые возможностями ЦВМ.

В магистральных структурах каждый сигнал передается по общей для всех модулей шине - магистрали. Адресная информация показывает, к какому блоку относятся передаваемые данные. Структуры позволяют наращивать число блоков в системе.

Глава 3. Основные этапы проектирования приборов и ИИС


Существуют следующие основные стадии разработки проекта: техническое задание (ТЗ), техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочая документация.

Техническое задание

Техническое задание (ТЗ) должно содержать следующие основные сведения, характеризующие проектируемую измерительную информационную систему: основное назначение, технические характеристики, показатели качества, технико-экономические требования, стадии разработки, принятые в данном проекте, и их состав, включая программное, методическое и метрологическое обеспечение, а также специальные требования к системе.

К основным техническим характеристикам ИИС относятся метрологические (динамический и частотный диапазоны, погрешность, быстродействие, чувствительность, порог чувствительности), а также общетехнические (надежность, сложность, габариты, масса и т. д.). В ТЗ должны быть приведены критерии оценки (показатели качества) этих характеристик.

Техническое предложение

Следующей основной стадией проектирования является разработка технического предложения на проектируемую ИИС. При разработке технического предложения предусматривается выполнение следующих этапов:

1. Подбор патентных материалов, определение патентноспособности проектируемой ИИС, анализ материалов по существующим системам, наиболее близким к проектируемой по назначению и характеристикам.

2. Предложение возможных вариантов реализации системы, удовлетворяющих ТЗ, сравнительная оценка этих вариантов и обоснование выбора наилучшего варианта. Варианты системы могут различаться по алгоритмам сбора и обработки информации, техническим и программным средствам, видам используемого интерфейса, модуляции сигналов и т. п. Сравнительная оценка вариантов должна выполняться с учетом критериев оценки показателей качества, определенных в ТЗ.

3. Разработка и анализ структурной схемы и алгоритма работы.

4. Выбор функциональных блоков проектируемой системы. Для создания ИИС целесообразно использовать готовые, выпускаемые промышленностью функциональные блоки, объединяемые в систему с помощью стандартного интерфейса. Однако при проектировании системы не всегда удается обеспечить ее всеми необходимыми стандартными функциональными блоками и интерфейсными устройствами. В этом случае в курсовом проекте могут разрабатываться такие блоки.

5. Решение принципиальных вопросов метрологического, программного и методического обеспечения проектируемой ИИС.

6. Рассмотрение и утверждение технического предложения. В результате выполнения предложения должен быть обоснован целесообразный путь реализации ТЗ.

Стадии разработки технического задания и технического предложения можно отнести к системотехническому проектированию ИИС, особенностью которого является рассмотрение системы в целом с привлечением соответствующего математического аппарата. Эти стадии часто выполняются в виде научно-исследовательской работы.

Дальнейшие стадии проектирования выполняются обычно в виде опытно-конструкторских работ (ОКР).

Эскизный проект

Стадия эскизного проектирования предусматривает создание документации, содержащей принципиальные конструктивные решения, которые дают общее представление об устройстве и принципе работы изделия. В необходимых случаях изготавливаются и испытываются макеты изделий. Эскизный проект после согласования и утверждения служит основой для разработки технического проекта или рабочей документации.

Технический проект

Стадия технического проектирования связана с созданием документации, содержащей окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемой системы.

Рабочая документация

Завершающей является стадия создания рабочей документации на проектируемую ИИС. Она включает в себя разработку конструкторской документации на опытный образец системы, изготовление опытного образца, проведение государственных, межведомственных или других испытаний опытных образцов, последующие корректировки рабочей документации, подготовку рабочей документации и изготовление установочной серии, массовый выпуск ИИС.

Проектирование конкретного изделия может содержать не все перечисленные стадии. Определение состава стадий выполнения проекта делается при разработке ТЗ. Необходимость в стадиях эскизного, технического или рабочего проектирования следует оценивать при создании ИИС путем набора стандартных функциональных блоков, интерфейсных устройств, измерительно-вычислительных комплексов. Такая разновидность проектирования получила название компоновочного. При компоновочном проектировании могут не потребоваться стадии эскизного и технического проекта, и может также резко упроститься стадия рабочего проекта.

Цикл проектирования системы

Измерительная информационная система состоит из набора компонентов, выполняющих определенные функции по отношению к внешнему окружению. Чтобы иметь возможность воспринимать информацию извне и передавать ее во внешнее окружение, система должна быть связана с внешним окружением, т. е. должна иметь входы и выходы (рис.3.1). Система состоит из аппаратных компонентов и программного обеспечения.




Рис 3.1. Общее представление системы


Первый шаг цикла проектирования включает определение набора требований пользователя и построение функциональной спецификации. Следующим шагом является проектирование системы на основе функциональной спецификации. Необходимо определить аппаратную и программную конфигурации, из каких частей должна состоять система и как эти части должны быть взаимосвязаны. Проектирование аппаратной части может быть выполнено с использованием стандартной методологии проектирования аппаратуры.

Проектирование программного обеспечения лучше всего может быть выполнено с использованием языка проектирования. Программное обеспечение строится путем преобразования конструкций языка проектирования в язык программирования ЭВМ. Оно тестируется и одновременно с аппаратурой объединяется в единое целое, после чего оцениваются эксплуатационные характеристики системы.

Цикл проектирования системы показан на рис.3.2. Две части системы часто разрабатываются параллельно, что на рисунке выглядит в виде отдельных ветвей.

Одним из основных средств снижения сложности программного обеспечения до приемлемого уровня является использование методологии системного проектирования. Кроме использования языка проектирования, системная методология включает использование методов нисходящего и модульного проектирования.



Рис.3.2. Цикл проектирования системы


Язык проектирования

Из наличия у системы входов и выходов можно сделать вывод о том, что ЭВМ должна иметь возможность проверять значение каждого входа, а также устанавливать каждый из выходов в определенное значение. На уровне языка проектирования для операций проверки и установки используются простые конструкции:

ПРОВЕРИТЬ ВХОД ... И ХРАНИТЬ ЕГО ЗНАЧЕНИЕ 

УСТАНОВИТЬ ЗНАЧЕНИЕ ВЫХОД ... РАВНО ... 

Необходимо также иметь возможность проверять условия, которым удовлетворяют хранимые значения каждого из входов. С этой целью используется условная конструкция:

ЕСЛИ УСЛОВИЕ ПРОВЕРКИ ЕСТЬ «ИСТИНА» 

ТО ВЫПОЛНИТЬ ЧТО-ЛИБО

ИНАЧЕ ВЫПОЛНИТЬ ЧТО-ЛИБО ДРУГОЕ

Необходима такая операция, которая позволила бы выполнять другие операции языка проектирования бесконечное число раз. Для этой цели используется конструкция:

ВЫПОЛНЯТЬ НЕПРЕРЫВНО

.... 

КОНЕЦ

В этой конструкции набор операций, расположенный между ВЫПОЛНЯТЬ НЕПРЕРЫВНО и КОНЕЦ, должен повторяться без конца. Конструкции цикла могут быть следующего вида:

ВЫПОЛНИТЬ

... 

КОНЕЦ

ВЫПОЛНИТЬ ДЛЯ КАЖДОГО ... НАБОРА ПРЕДМЕТОВ

...

КОНЕЦ

ВЫПОЛНЯТЬ ПОКА УСЛОВИЕ ПРОВЕРКИ ЕСТЬ «ИСТИНА»

...

КОНЕЦ

Для выполнения операций присваивания применяются следующие конструкции:

УСТАНОВИТЬ ... НА (В) ... 

УСТАНОВИТЬ ... 

СБРОСИТЬ ... 

Для вызова процедур используется следующая конструкция:

ВЫЗОВ: ИМЯ ПРОЦЕДУРЫ (ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ; ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ)

Для составления процедур используется конструкция вида:

ПРОЦЕДУРА: ИМЯ ПРОЦЕДУРЫ (ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ; ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ) 

НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ

...

ВОЗВРАТ

КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ

В заголовке между первой строкой процедуры и строкой НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ помещается дополнительная документальная информация:

1) идентификационный номер процедуры;

2) имя проектировщика;

3) дата проектирования;

4) имена всех, кто вносил изменения в проект;

5) дата внесения изменений в проект;

6) краткие сведения о том, что делает процедура, если имени процедуры недостаточно для этих целей;

7) имя модуля, которому принадлежит процедура;

8) имена всех процедур, которые вызывает данная процедура;

9) имена всех процедур, которые вызывают данную процедуру;

10) описание каждой структуры данных и параметров, которые обрабатываются данной процедурой;

11) пояснения о назначении каждого параметра в структуре данных, если это не ясно из контекста.

Каждая подсистема, модуль, процедура, структура данных и параметр имеют имя. Для того чтобы избежать путаницы с именами, полезно использовать список имен, в который вносится любое имя сразу после того, как оно определено. В этот список можно вносить и обозначение того, что представляет собой каждое имя, тогда его можно использовать как словарь системы.

При составлении программ на языке проектирования рекомендуется использовать смещение строк. Необходимо подчеркнуть, что язык проектирования является полностью однозначным без смещения строк. Смещение строк обеспечивает читаемость, особенно когда несколько конструкций являются вложенными. Ниже приводятся правила выполнения смещения, иллюстрированные примерами:

1) все скобки, такие как НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ .. КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ

и ВЫПОЛНЯТЬ .. КОНЕЦ, выравниваются;

ВЫЗОВ: СЧИТЫВАНИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ (;ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ)