Автоматизация

Вид материала

Документы

Содержание Измерительная аппаратура эксперимента Вычислительные устройства в составе экспериментальных комплексов Промышленные ЭВМ для автоматизации научных исследований Специальные программируемые устройства для автоматизации измерений. Средства связи вычислительных устройств с измерительной аппаратурой эксперимента Система КАМАК

Подобный материал:

• В. И. Харитонов > К. И. Меша Одобрено методической > С. С. Драгунов комиссией факультета, 321.05kb.
• Темы курсовых проектов Автоматизация учета налогоплательщиков (НП) физических и юридических, 19.54kb.
• Автоматизация бухгалтерского учета нужна ли она?, 216.55kb.
• Программа вступительного экзамена по приему в магистратуру по специальности 6М070200, 225.94kb.
• Автоматизация работы программ расчета, 29.26kb.
• Автоматизация и моделирование работы предприятий по строительству промышленных объектов, 445.96kb.
• Автоматизация процессов мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры на основе, 315.84kb.
• К рабочей программе учебной дисциплины «Интегрированные системы проектирования и управления»», 31.58kb.
• Автоматизация процесса формирования индивидуальных учебных планов в системе переподготовки, 256.55kb.
• Темы курсовых работ По дисциплине «Бухгалтерские информационные системы» Автоматизация, 14.74kb.

§ 1.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТА

Рассмотренный в § 1.1 пример дает общее представление об основной особенности организации ядерно-физического эксперимента, заключающейся в том, что неотъемлемой частью большинства современных экспериментальных установок являются устройства, способные выполнять вычислительно-управляющие функции. При таком подходе к автоматизации измерений перед эксперимента-''' тором возникает необходимость решения трех основных вопросов:

А) выбор типа вычислительно-управляющего устройства для работы в составе измерительного комплекса;

Б) установление связи с этим устройством той части оборудования, которая по условиям работы должна взаимодействовать с ним в ходе эксперимента;

В) программирование работы вычислительно-управляющего устройства для выполнения всем комплексом определенных функций в ходе измерений. Для грамотного решения многих проблем, связанных с созда нием автоматизированных измерительных систем, необходимо иметь представление о современных технических и программных средст­вах, используемых при организации экспериментальных комплексов.





Рис. 1.4. Структура связей между основными техническими средствами эксперимента

На рис. 1.4 в наиболее общем виде представлена структура связи между основными техническими средствами современных из­мерительных комплексов.

Измерительная аппаратура эксперимента

Состав измерительной аппаратуры, используемой в эксперимен­те, определяется конкретной задачей, для решения которой создает­ся измерительная система. В каждой области исследования обычно существует свой базовый набор измерительной аппаратуры. Так, при проведении экспериментальных работ в ядерной физике часто используют различные устройства временного и амплитудного от­бора событий, амплитудно-цифровые и время-цифровые преобразо­ватели, счетчики импульсов и некоторую другую аппаратуру. Воп­росы функционирования подобного рода аппаратуры, предназначен­ной для ядерно-физических исследований, и ее характеристики достаточно подробно рассматриваются в соответствующих курсах типа «Ядерная электроника», «Основы электронных методов ядер­ной физики» и т. п.

К техническим средствам, которые применяются непосредственно для автоматизации научных исследований, обычно относят вычислительные устройства, входящие в состав экспериментального комп­лекса, и средства их связи с измерительной аппаратурой экспери­мента.

Вычислительные устройства в составе экспериментальных комплексов

Следует отметить, что термин вычислительные устройства не полностью отражает те функции, которые возлагаются на них в ходе измерений. Эти функции заключаются не только в выполнении чисто вычислительных операций над экспериментальными данными, но могут также включать выполнение определенных действий по управлению ходом эксперимента.

Выбору вычислительных устройств и способу их связи с измери­тельной аппаратурой следует уделять серьезное внимание, посколь­ку от грамотного решения этого вопроса во многом зависит успех исследовательской деятельности научного коллектива. Неквалифи­цированный, бессистемный подход к автоматизации измерений при­водит к существенному снижению эффективности работы обору­дования в ходе эксперимента, неоправданно большим затратам времени и материальных ресурсов, которые могут понадобиться для создания и дальнейшего развития измерительного комплекса.

В качестве устройств, выполняющих вычислительные и управ­ляющие функции, в автоматизированных измерительных системах используют различные типы ЭВМ, выпускаемые промышленностью, или специальные программируемые устройства, в состав которых обычно входят микропроцессорные ЭВМ с ограниченными по срав­нению с промышленными ЭВМ возможностями.

Какими же соображениями следует руководствоваться при вы­боре вычислительных средств для использования в конкретных из­мерительных системах? Решение вопроса зависит, прежде всего, от тех функций, которые возлагаются на эти устройства в ходе экс­перимента. Многообразие же функций, в свою очередь, во многом определяется степенью сложности физической задачи, решаемой на данном этапе исследований. К числу основных функций вычисли­тельных и управляющих средств, используемых в режиме реального времени, относятся накопление экспериментальных данных, их пред­варительная или полная обработка, представление результатов об­работки в процессе эксперимента в удобном для экспериментатора виде и, наконец, управление экспериментом по заданному алгорит­му с учетом особенностей, возникающих непосредственно в процес­се измерений. Для решения всего комплекса проблем, связанных с автоматизацией процесса измерений, целесообразно использова­ние в составе экспериментальных комплексов стандартных ЭВМ.

Промышленные ЭВМ для автоматизации научных исследований

Все выпускаемые промышленностью ЭВМ условно принято делить на несколько классов: большие, средние, мини- и микро-ЭВМ. Ма­шины каждого класса характеризуются многими параметрами, в частности определенной производительностью, оснащением аппа­ратными "и программными средствами и др. Немаловажным обстоя­тельством для использования ЭВМ в системах автоматизации научных исследований является различие в их стоимости — от не­скольких тысяч рублей (микро-ЭВМ) до нескольких миллионов (большие ЭВМ).

Принципиально не существует непреодолимых технических труд­ностей для использования любой ЭВМ в составе экспериментальных установок. Основными критериями пригодности определенного типа ЭВМ для этой цели являются, в первую очередь, соответствие ее вычислительной мощности сложности алгоритма и скорости обра­ботки информации в ходе измерений, наличие необходимого объема запоминающих устройств для накопления и хранения эксперимен­тальных данных, достаточная гибкость взаимодействия с нестан­дартными по отношению к данной ЭВМ внешними устройствами, т. е. измерительной аппаратурой, используемой в эксперименте. Несмотря на то что большие и средние ЭВМ классов ЕС 1040, ЕС1033 и т. п. удовлетворяют первым двум условиям, их струк­турная организация не обеспечивает эффективного обмена инфор­мацией с нестандартными внешними устройствами. Низкая в боль­шинстве случаев эффективность использования таких ЭВМ при работе в режиме реального времени и их высокая стоимость огра­ничивают возможности применения их для автоматизации измере­ний. Подобного рода ЭВМ обычно являются принадлежностью вы­числительных центров научных организаций, где их применяют для решения счетных задач в режиме пакетной обработки. В крупных научно-исследовательских организациях при построении иерархиче­ских многомашинных комплексов большие ЭВМ вычислительных
центров используются в качестве головных ЭВМ, т. е. ЭВМ высо­кого уровня, для окончательной обработки информации, поступаю­ щей от многих экспериментальных установок.

При проведении отдельных сложных экспериментов в физике высоких энергий и релятивистской ядерной физике большие и сред­ние ЭВМ иногда используют в составе экспериментальных комп­лексов. Обычно в этом случае одна большая ЭВМ обслуживает несколько крупных спектрометров, обеспечивая накопление данных и экспрессную обработку больших массивов информации.

Наиболее широкое распространение в качестве вычислительных и управляющих средств при проведении ядерно-физических иссле­дований получили, различные мини- и микро-ЭВМ. Одной из основ­ных особенностей машин данного класса является то, что их структурная организация допускает сравнительно простую в техническом и программном отношениях возможность взаимодействия внеш­ними устройствами, в том числе и с измерительной аппаратурой эксперимента.

На начальном этапе разработки и промышленного выпуска мини-ЭВМ значительно превосходили микро-ЭВМ по производи­тельности, оснащенности устройствами ввода — вывода, а также возможностью использования развитого программного обеспечения. Процессоры мини-ЭВМ выполнялись в основном на микросхемах, средней степени интеграции, что обеспечивало их большее быстро­действие по сравнению с микро-ЭВМ. Термин «микро-ЭВМ» отра­жает то, что основной частью процессора данной ЭВМ является большая интегральная схема — микропроцессор. Совершенствова­ние элементной базы электронного приборостроения и в особенности повышение быстродействия, разрядности и функциональной полно­ты микропроцессорных комплектов привело к тому, что уже к сере­дине 80-х годов некоторые типы микро-ЭВМ по основным парамет­рам приблизились к мини-ЭВМ, а в некоторых случаях даже прев­зошли, их.

Отечественной промышленностью освоены и серийно выпускают­ся различные типы мини- и микро-ЭВМ, например такие, как СМ-4, Электроника-60, СМ-1800, ДЗ-28, Искра-226 и др., из которых не все в равной степени приспособлены для целей автоматизации науч­ных исследований.

По целому ряду причин наибольшее признание и применение при создании современных измерительных систем получили мини- и микро-ЭВМ, характерной особенностью которых является нали­чие у них единой системной магистрали или, что то же самое, магистрального интерфейса типа «Общая шина» (в литературе на английском языке UNIBUS). Эта серия машин представлена рядом ЭВМ различной производительности, имеющих одинаковую архи­тектуру, т. е. аналогичные, с точки зрения пользователя, аппарат­ные и программные ресурсы. Несмотря на то, что вычислительные возможности различных машин семейства могут существенно раз­личаться, все они программно совместимы от младших моделей к старшим. Малые и микромашины данного класса комплектуются необходимым набором стандартных внешних устройств, широко-развитым и достаточно хорошо освоенным персоналом научных лабораторий системным программным обеспечением, а также транс­ляторами с языков программирования различного уровня. Кроме того, для всех этих машин разработаны и выпускаются средства сопряжения с измерительной аппаратурой эксперимента.

К мини-машинам данного типа, которые распространены в на­учных лабораториях страны, относятся такие ЭВМ, как СМ-1300 (быстродействие около 800 тыс. операций в секунду, максимальный адресуемый объем ОЗУ 56К байт), СМ-1302, СМ-4, Электроника 100/25, MERA-125 (около 800 тыс. операций в секунду, 256К байт), СМ-1420 (порядка 1 млн. операций в секунду, 4 Мбайт), Электро-ника-79 (порядка 3 млн. операций в секунду, 4 Мбайт). В качест­ве характеристики быстродействия ЭВМ здесь и далее дана скорость выполнения простых операций типа регистр — регистр, ко­торая обычно приводится в рекламной литературе на конкретные ЭВМ. Реальное быстродействие в большой степени зависит от характера задач и области применения вычислительной машины. Так, для ЭВМ типа СМ-4 при решении научно-технических задач быстродействие составляет около 130 тыс. операций в секунду. Мини-машины СМ-1420 и Электроника-79 по своим основным характеристикам находятся на уровне средних и даже больших сов­ременных ЭВМ, поэтому включение их в разряд мини-ЭВМ в доста­точной степени условно.

Семейство микро-ЭВМ данного направления, все машины кото­рого программно полностью совместимы с рассмотренными мини-ЭВМ, включает, прежде всего, наиболее распространенную микро­машину Электроника-60 (~200 тыс. операций в секунду, 56К байт). Позже промышленностью были выпущены различные ЭВМ типа Электроника-60, такие, как MERA-60 (производство ПНР), одноплатные машины Электроника МС1201 01, МС1201 02, МС1211. В одноплатных машинах на одной монтажной плате выпол­нены все основные элементы ЭВМ — процессор, полный объем ОЗУ, интерфейсы для подключения основных внешних устройств, напри­мер алфавитно-цифрового дисплея, алфавитно-цифрового печата­ющего устройства, внешнего запоминающего устройства на гибких магнитных дисках. Разработаны и используются модификации од­ноплатной микро-ЭВМ типа Электроника-60, выполненные в виде модулей системы КАМАК. Применение одноплатных микро-ЭВМ позволяет создавать надежные компактные измерительные системы, которые могут успешно эксплуатироваться не только в лаборатор­ных, но и в полевых, полетных, промышленных условиях.






Рис. 1.5. Конфигурация автономной ЭВМ для автоматизации измерений

На базе микро-ЭВМ Электроника МС1201 выпускаются так называемые диалоговые вычислительные комплексы ДВК-1, ДВК-2, ДВК-3, различающиеся комплектацией стандартными внешними уст­ройствами, программным обеспечением и типом процессора.

Перечисленные микро-ЭВМ являются младшими моделями се­мейства ЭВМ с единой магистралью. Их системная магистраль несколько упрощена по сравнению с мини-машинами. Так, если магистраль мини-ЭВМ содержит 56 линий связи, в микро-ЭВМ число линий связи уменьшено до 38 за счет совмещения шин для пере­дачи адреса и данных, сокращения числа линий для передачи сигналов прерывания и ряда других упрощений. Магистраль микро-ЭВМ называют укороченной магистралью типа «Общая шина» (в литературе на английском языке Q-BUS или sub-UNIBUS).

Мини- и микро-ЭВМ с общей магистралью выпускаются про­мышленностью в различной конфигурации, т. е. с разным базовым комплектом стандартных внешних устройств. Оптимальной в смысле использования ЭВМ в составе автономной измерительной системы считается конфигурация, представленная на рис. 1.5.

Процессор является главным функциональным узлом ЭВМ, и название ЭВМ обычно определяется типом используемого в ней процессора. Производительность процессора должна быть адекват­на роли, которая возлагается на ЭВМ в ходе измерений-

ОЗУ современных мини- и микро-машин выполнены на интегральных микросхемах памяти и являются энергозависимыми. Это означает, что содержимое памяти может быть безвозвратно поте­ряно при нарушении работы источника питания ЭВМ. В особо ответственных измерениях для питания ОЗУ используют автоном­ные источники питания, например аккумуляторы. По возможности следует стремиться к укомплектованию ЭВМ максимальным для нее объемом памяти.

Наличие в ЭВМ внешних магнитных запоминающих уст­ройств — накопителей на магнитных дисках и лентах — значительно увеличивает эффективность использования ЭВМ как на этапе подготовки измерений, так и в ходе их проведения. На магнитных дисках хранится та часть программного обеспечения и экспериментальных данных, к которым необходим опе­ративный доступ в процессе работы. Для комплектации мини- и микро-ЭВМ используются накопители на гибких магнитных дис­ках — флоппи-диски, или так называемые жесткие диски, с постоян­ными, сменными или смешанными пакетами дисков. Информацион­ная емкость флоппи-дисков составляет 512—1024К байт, у современных жестких дисков она обычно лежит в диапазоне от нескольких единиц до нескольких десятков мегабайт.

Накопители на магнитных лентах в эксперименте часто исполь­зуют для накопления и долговременного хранения больших масси­вов экспериментальных данных. В мини- и микро-ЭВМ применяют два вида таких накопителей — бобинные и кассетные. Емкость бобины магнитной ленты накопителей, которые наиболее часто используют с малыми машинами, обычно составляет несколько десятков мегабайт, емкость кассеты — около 250К байт.

Алфавитно-цифровой дисплей служит для оперативного взаимо­действия с ЭВМ в диалоговом режиме. Иногда в такие дисплеи устанавливают специальную электронную плату, которая позволяет использовать их одновременно и в качестве графических дисплеев с удовлетворительным качеством изображения.

Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ) является средством документирования выводимой текстовой информации. Получают распространение АЦПУ, которые кроме текстовой информации дают возможность выводить графические изображения дос­таточно высокого качества.

Процесс разработки новых универсальных микро- и мини-ЭВМ с магистралью типа «Общая шина» (впрочем, как и других типов ЭВМ) продолжается непрерывно. Существенными факторами в развитии современных микро-ЭВМ являются широкое использование при их разработке достижений современной технологии производст­ва электронной аппаратуры и микропроцессорной элементной базы. Это обстоятельство привело к тому, что на рубеже 80-х годов начался интенсивный выпуск малогабаритных микро-ЭВМ, получив­ших даже специальное название «персональные ЭВМ». Под этим термином обычно понимают компактную универсальную вычисли­тельную машину (в настольном, портативном исполнении), ориенти­рованную на разработку и исполнение прикладных программ Неспециалистами в области программирования. Персональные ЭВМ в первую очередь ориентированы на привлечение к работе широкого круга лиц, впервые соприкасающихся с ЭВМ. Поэтому такие ЭВМ снабжены современными операционными системами, включающими трансляторы с языков различного уровня (БЕЙСИК, ПАСКАЛЬ, ФОРТРАН и др.), в максимальной степени облегчающими разра­ботку проблемно ориентированного программного обеспечения. Как правило, эти ЭВМ снабжают разными средствами машинной гра­фики, синтезаторами звука и другими устройствами, позволяющи­ми повысить эффективность индивидуального творческого процесса при работе с вычислительными машинами. Все эти программные и аппаратные средства персональных ЭВМ могут быть использованы в системах автоматизации научных исследований.

Основные тенденции развития микро- и мини-ЭВМ, в том числе и персональных ЭВМ, связаны с увеличением быстродействия процессоров до 1 млн. и более операций в секунду, расширением объемов ОЗУ до 256К байт и даже до нескольких мегабайт, включением в базовую конфигурацию ЭВМ запоминающих уст­ройств больших объемов. Так, многие малые ЭВМ комплектуются, кроме флоппи-дисков, накопителями на магнитных дисках большой емкости и высокой надежности типа «Винчестер».

Применение ЭВМ единого архитектурного семейства для целей автоматизации измерений в рамках научной лаборатории и даже организации в целом всегда предпочтительнее использования разно­родных ЭВМ. При этом в значительной мере упрощается обмен системным и прикладным программным обеспечением между экс­периментаторами, уменьшается штат специалистов для обслужива­ния многих ЭВМ, удешевляется сервис машин, облегчается процесс адаптации новых сотрудников к работе с ЭВМ и т. д.

Особенно заметными становятся эти преимущества при объеди­нении многих вычислительных машин научной организации в еди­ную вычислительную сеть, которую принято называть локальной вычислительной сетью ЭВМ. Такая сеть создается из территориаль­но разобщенных ЭВМ, расположенных на разных этажах, в разных зданиях организации, путем соединения машин стандартным ка­налом связи.

Подключение к локальной вычислительной сети сохраняет в пол­ной мере преимущества индивидуального использования экспери­ментатором ЭВМ, входящей в состав установки, и дает возмож­ность оперативного доступа любой ЭВМ к информационным ресур­сам организации, лаборатории, других научных коллективов. Благо­даря подобной организации связи машин удается значительно сэко­номить материальные средства за счет централизованного исполь­зования подключенного к сети небольшого числа редко исполь­зуемых и дорогостоящих внешних устройств — запоминающих уст­ройств на магнитных дисках большой емкости, высокоточных гра­фопостроителей, АЦПУ и пр.

Реализация локальной вычислительной сети из ЭВМ с единой архитектурной организацией упрощает протокол связи между от­дельными элементами сети, позволяет использовать для отдельных групп ЭВМ унифицированные интерфейсы внешних устройств, об­легчает тестирование и профилактическое обслуживание всего комплекса связанных между собой ЭВМ.

Специальные программируемые устройства для автоматизации измерений.

Разработка и использование специальных программи­руемых устройств для выполнения ограниченных вычислительных и управляющих функций в ходе исследований связаны с несколькими обстоятельствами. Универсальные промышленные микро- и мини-ЭВМ, включаемые в состав экспериментальных установок, в ряде случаев обладают значительной избыточностью в отношении аппаратных и программных средств, которые необходимы для обеспечения конкретных измерений. Такая ситуация возникает обычно при использовании стандартных ЭВМ в так называемых рутинных измерениях, т. е. когда в течение длительного промежутка времени проводятся однотипные измерения с обработкой информации по сравнительно несложному алгоритму. Иногда, например при работе в экспедиционных условиях, применение промышленных ЭВМ свя­зано с определенными техническими трудностями. В таких случаях целесообразно использовать в составе экспериментальных устано­вок специальные программируемые устройства. Подобные устройст­ва, разработанные во многих научных организациях, значительно превосходят промышленные микро- и мини-ЭВМ по экономическим показателям, надежности в эксплуатации во внелабораторных ус­ловиях, компактности, несмотря на то что зачастую и уступают им по вычислительной мощности и возможности использования стандартных для ЭВМ внешних устройств.

Как правило, специальные программируемые устройства содер­жат все основные узлы, входящие в состав обычных ЭВМ: про­цессор, выполняемый обычно на базе микропроцессора, ОЗУ, перепрограммируемые запоминающие устройства (ППЗУ), интер­фейсы связи с некоторыми стандартными для ЭВМ внешними уст­ройствами, например такими, как дисплей, считыватель перфолен­ты, флоппи-диск.

Программа работы такого устройства в простейшем случае мо­жет храниться в ППЗУ или вводиться непосредственно перед нача­лом работы с одного из внешних носителей, например со считы­вателя перфоленты в ОЗУ. Во многих случаях представляется целесообразным использование специальных программируемых уст­ройств в* качестве низшего звена сбора и предварительной обра­ботки информации в составе локальных вычислительных сетей ЭВМ. Обладая при этом минимально необходимой конфигурацией и выполняя ограниченные функции в составе экспериментальных установок, такие устройства в то же время имеют возможность выхода ко всем аппаратным и программным ресурсам ЭВМ.

Особое место среди специальных программируемых устройств занимают так называемые специализированные процессоры. Дело в том, что многие сложные ядерно-физические эксперименты, прово­димые на реакторах и ускорителях, связаны с переработкой огром­ных потоков информации, поступающей от детекторов излучений. Так, для исследования процесса деления тяжелых ядер на нейтрон­ных пучках реакторов все чаще используются многомерные двухплечевые времяпролетные спектрометры осколков деления. Жела­ние иметь высокую (порядка 10 событий в секунду) загрузочную способность спектрометра при регистрации на каждое событие более десятка параметров — координат X, Y прохождения каждым из осколков «стартового» и «стопового» детекторов временной отметки, времени пролета осколками определенных базовых расстояний, пол­ных энергий и удельных потерь энергии — практически исключает возможность накопления и экспрессной обработки информации стандартной малой ЭВМ в составе измерительного комплекса.

Поиск редких событий в экспериментах физики высоких энер­гий приводит к необходимости работать в высокоинтенсивных пуч­ках ускорителей частиц, применению координатных детекторов, усложнению критериев отбора полезных событий. Использование в таких измерительных системах промышленных ЭВМ, даже обла­дающих значительной вычислительной мощностью, зачастую не позволяет эффективно совместить процесс накопления и обработки поступающей информации. В физике высоких энергий эти проблемы стоят столь остро, что здесь сформировалось отдельное методиче­ское направление — разработка триггерных систем высокого уров­ня. Под триггерными системами понимают устройства, которые на основании предварительно заданных критериев отбора вырабаты­вают сигнал, разрешающий дальнейшую обработку или регистра­цию поступивших событий. Использование таких систем в конечном итоге приводит к существенному снижению интенсивности регист­рируемых событий за счет отбраковки фоновых, т. е. бесполезных, событий.

В каждом из приведенных примеров возникает необходимость применения устройства, которое с максимально необходимой ско­ростью могло бы осуществлять предварительную обработку или отбор событий по заданному алгоритму. Такие устройства, специально разрабатываемые для решения конкретных физических задач, полу­чили название специализированных процессоров, или, как их приня­то называть, спецпроцессоров. Структурная схема каждого такого устройства во многом повторяет структурную схему процессоров микро-ЭВМ и содержит обычно следующие основные узлы: арифметическо-логическое устройство, запоминающее устройство для хранения микрокоманд, регистры общего назначения. От процес­соров универсальных микро-ЭВМ спецпроцессоры отличаются ми­нимизацией их функциональных возможностей с целью обеспечения максимального быстродействия при обработке данных в конкретных физических измерениях. При разработке спецпроцессоров используются микропроцессорные комплекты повышенного быстродействия. Из выпускаемых отечественной промышленностью наибольшее применение при разработке спецпроцессоров получили быстродейст­вующие микропроцессорные комплекты серий К589, КР1802, КР1804, большие интегральные схемы которых выполнены на осно­ве технологии транзисторно-транзисторной логики с диодами Шоттки. Существующие тенденции развития микропроцессоров — увели­чение их быстродействия и особенно увеличение разрядности до 16, 32 разрядов — окажут несомненное влияние на эффективность использования специализированных процессоров в сложных ядерно-физических измерениях.

Средства связи вычислительных устройств с измерительной аппаратурой эксперимента

Широкое использование в составе экспериментальных комплек­сов вычислительных устройств, главным образом микро- и мини-

ЭВМ, вызвало необходимость систематизации связи с ними доста­точно разнородной измерительной аппаратуры, применяемой в экс­периментальной технике. На разных этапах развития работ по . автоматизации исследований вопросы связи аппаратуры с ЭВМ решались по-разному: от использования прямых связей (отдельный прибор — ЭВМ) до разработки магистральных средств сопряжения. Последнее направление оказалось столь перспективным, что в рам­ках общих концепций этого направления были разработаны и пред­ложены несколько способов технической реализации связей; неко­торые из них получили широкое распространение в практике фи­зического эксперимента и других областях исследований.

У нас в стране наиболее известны три вида систем связи или, как их часто называют, интерфейсов измерительных систем: МЭК.-625 (МЭК — Международная Электротехническая Комиссия), система КАМАК и система ВЕКТОР.

Приборный интерфейс МЭК-625 предназначен для объединения на основе магистрального принципа различных стандартных из­мерительных приборов и средств вычислительной техники. Этот способ ориентирован, в основном, на использование в промышлен­ных, заводских лабораториях и не получил распространения в научных центрах страны,

Система КАМАК по существу является не просто интерфейсом связи измерительной аппаратуры с ЭВМ, в ней воплощен качест­венно новый подход к построению аппаратуры. С момента ее появ­ления система КАМАК получила статус международного стандарта на аппаратуру для научных исследований. Эта система широко применяется во всех научных организациях у нас в стране и за рубежом.

В основу идеологии построения системы ВЕКТОР заложены те же принципы, что и в основу системы КАМАК. Основное отличие между ними состоит в том, что в системе ВЕКТОР приняты иные, чем в системе КАМАК, размеры механических конструктивных эле­ментов. В силу ряда причин система ВЕКТОР не получила широко­го распространения и не настолько общепризнанна, как система КАМАК.

Поскольку система КАМАК с начала 70-х годов служит основой для построения измерительных комплексов в большинстве научно-исследовательских организаций, ее рассмотрению будет уделено ос­новное внимание.

Система КАМАК — международная система модульной электро­ники, специально ориентированная на работу с различными средст­вами вычислительной техники, была предложена в 1969 г. и яви­лась результатом усилий научных коллективов ведущих ядерных центров Западной Европы². Первоначально система называлась «Янус» — в римской мифологии божество дверей, входа и выхода, которое изображалось с двумя лицами, направленными в разные стороны. Это название символизировало основную идею системы, которая с одной стороны обращена к измерительной части экс­периментальной установки, а с другой — к ЭВМ.

Окончательное название системы (англ. САМАС), по мнению ее разработчиков, не является аббревиатурой и не имеет реального смысла. Можно считать, что симметричность написания лишь символизирует, так же как «Янус», идею интерфейса, т. е. средства стандартного сопряжения аппаратуры научного эксперимента с ЭВМ. Вследствие этого написание КАМАК также может быть ис­пользовано для обозначения системы. (Позже были предприняты попытки «раскрыть» смысл буквосочетания САМАС, например: Computer Application to Measurement And Control, Computer Aided Measurement And Control и др.).

Одно из основных достоинств системы KAMAК по сравнению с другими модульными системами заключается в том, что она позволяет организовать эффективный обмен информацией между измерительной аппаратурой, используемой в эксперименте, и ЭВМ. Электронная аппаратура в этом случае выполняется в виде отдель­ных функционально и конструктивно завершенных устройств— модулей. Например, при, определении интенсивности излучения импульсы от детектора могут накапливаться в модуле, содержащем один или чаще несколько независимых счетчиков. Содержимое каждого счетчика может быть передано в ЭВМ. Кроме того, в та­ком модуле обычно предусматривается возможность гибкого управ­ления его работой по программе, заранее введенной в ЭВМ. Можно, например, программно разрешать или запрещать счет в выбранных счетчиках, соединять отдельные счетчики последовательно, прове­рять работу модуля и т. п.

Другой пример — управление перемещением детектора относи­тельно источника излучений. В этом случае можно использовать модуль, содержащий цифро-аналоговый преобразователь. Этот модуль, принимая определенные цифровые коды из ЭВМ, преобра­зует их в аналоговые сигналы. С выхода модуля эти сигналы поступают в исполнительный механизм, который перемещает детек­тор относительно источника на определенный угол или расстояние.

В зависимости от сложности задач, решаемых измерительными системами, последние могут содержать от единиц до нескольких десятков и даже сотен функциональных модулей. Модули размещаются в крейте— специальном каркасе (рис 1.6), который имеет 25 мест для установки модулей. Два крайних правых места в крейте всегда занимает контроллер крейта — специальный модуль, который управляет работой остальных (функциональных) модулей в крейте и организует обмен информацией между модулями и вычислительной машиной

В
пределах крейта обмен информацией между контроллером и модулями происходит по многопроводному каналу связи — магист­рали крейта. Магистральный принцип в системе КАМАК заимст вован из вычислительной техники, где, как уже отмечалось выше, он используется очень широко.


Рис. 1.6. Основные элементы системы КАМАК


В организации системы КАМАК (рис. 1.7) можно усмотреть определенную аналогию со структурной организацией мини-ЭВМ. В вычислительной машине процессами на магистрали управляет процессор; в системе КАМАК эти функции выполняет контроллер крейта. К магистрали ЭВМ подсоединяются внешние устройства; к магистрали КАМАК подключены функциональные модули. Ма­гистрали обоих устройств, несмотря на существенные различия в деталях, имеют общие черты: каждая из них содержит адресную шину, шину данных, шину управляющих сигналов. По адресной шине магистрали ЭВМ происходит обращение к регистрам ВУ и ячейкам ОЗУ; в системе КАМАК адресная шина служит для обра­щения к регистрам функциональных модулей. Схожие функции выполняют также и шины данных и управления. Однако несмотря на отмеченные аналогии в организации современных мини-ЭВМ и си­стемы КАМАК, каждое из этих устройств функционирует по своим законам и выполняет в составе оборудования физического экспе­римента свои задачи.

В том виде, как это представлено на рис. 1.7, систему КАМАК можно рассматривать как нестандартное специализированное внешнее устройство ЭВМ, подключаемое к магистрали ЭВМ через спе­циальное согласующее устройство — контроллер крейта. Такое по­строение измерительных систем — автономная (т. е. установленная отдельно от крейта КАМАК, а не встроенная в него) вычислительная машина и система КАМАК как ее внешнее устройство — можно считать классическим не только в техническом исполнении, но и в идеологическом плане. Большая часть интеллектуальной деятель­ности измерительного комплекса в ходе эксперимента — обработка поступающей информации, принятие решений о дальнейшем ходе эксперимента и т. п.— возлагается в этом случае на вычислитель­ную машину.

Система КАМАК выделяет и преобразует первичную информацию от детекторов излучений для передачи ее в ЭВМ и, кроме того, исполняет все действия, предусмотренные программой, храня­щейся в вычислительной машине.

Функциональные модули, установленные в крейте, взаимодейст­вуют через магистраль лишь с контроллером крейта, который, в свою очередь, осуществляет обмен информацией с вычислительной машиной. При такой ступенчатой организации связи функциональ­ных модулей с ЭВМ их конструкция не зависит от типа исполь­зуемой в составе комплекса вычислительной машины. При необхо­димости заменить в измерительной системе вычислительную машину одного типа на другой в крей те следует заменить лишь модуль связи с ЭВМ, т. е. контроллер крейта.




Рис. 1.7 Принцип организации системы КАМАК


В процессе эксплуатации и развития системы КАМАК выяви­лись другие возможности включения ЭВМ в состав эксперименталь­ных установок. С конца 70-х годов в научном приборостроении начали осваиваться и широко использоваться при разработке элект­ронной аппаратуры микропроцессоры и микропроцессорные комп­лекты. Приблизительно в это же время начали применяться в измерительных системах контроллеры крейта, содержащие микро­процессорные устройства. Микропроцессор, встроенный в контрол­лер, может содержать программу управления модулями крейта и, кроме того, выполнять обработку поступающих данных. Такие конт­роллеры используются при организации несложных измерительных систем, получивших название автономных (без внешней ЭВМ) си­стем. В автономных системах с микропроцессорными контроллерами крейта могут быть использованы и внешние ЭВМ. В этом случае ЭВМ подключаются к магистрали крейта не через контроллер, а через специальный функциональный модуль — интерфейс данной ЭВМ, который устанавливается на любое из первых 23 мест крейта. В таких измерительных системах вычислительная машина является внешним устройством по отношению к системе КАМАК и выполняет лишь ограниченные функции при обращении к ней по программе, имеющейся в микропроцессорном устройстве.

Дальнейшее развитие измерительных систем на базе аппаратуры КАМАК и вычислительных средств связано с использованием одно­платных микро-ЭВМ. Уменьшение габаритов процессоров ЭВМ поз­волило разработчикам размещать на единой плате все основные узлы вычислительной машины: процессор, полный объем оператив­ной памяти, схемы подключения основных ВУ, таких, как дисплей, печатающее устройство, запоминающее устройство на гибких маг­нитных дисках. Появились микро-ЭВМ, выполненные в габаритах функциональных модулей КАМАК, что позволило встраивать эти ЭВМ непосредственно в контроллер крейта. Таким образом, если при использовании автономных ЭВМ основные функции измери­тельных систем разделялись между аппаратурой КАМАК и ЭВМ, при использовании в контроллере крейта достаточно мощной микро-ЭВМ функции сбора, накопления и обработки поступающей инфор­мации целиком обеспечивается системой КАМАК.

Независимо от способа подключения вычислительной машины к измерительной аппаратуре КАМАК процедура обмена информа­цией по внутренней магистрали КАМАК остается неизменной.

Инициировать обмен информацией может как функциональный модуль, так и контроллер крейта, который, в свою очередь, по­лучает команды от ЭВМ (рис. 1.8).

Если инициатором обмена является ЭВМ, она передает через контроллер на магистраль крейта коды стандартных для системы КАМАК сигналов N, A, F, т. е. команду КАМАК. Сигналы N и А определяют адресную часть команды, с помощью которой контроллер обращается к определенному функциональному мо­дулю, для чего служит сигнал N, и конкретному устройству внутри модуля (с помощью сигнала А), где необходимо выполнить опреде­ленные действия. Действие, выполняемое в устройстве, задается кодом сигнала F, который называется функцией или операцией КАМАК- Различные коды операций могут означать: «считать данные из устройства», «записать данные в устройство» и т. п. Значения кодов различных операций F в системе КАМАК строго определены.

Если инициатором обмена является функциональный модуль (например, он получил или подготовил информацию, которую необходимо передать в ЭВМ), он посылает контроллеру крейта специальный сигнал запроса обслуживания L (рис. 1.8). С полу­чением этого сигнала контроллер вырабатывает и передает в ЭВМ сигнал Требование прерывания .D. Обработка сигнала прерывания от контроллера крейта включает в себя определение модулями конкретного устройства внутри модуля, которое выставило сигнал запроса L. После этого действия вычислительной машины опреде­ляются той программой, которая составлена и введена в ЭВМ экспериментатором.



Рис. 1.8. Обмен информацией между функциональным модулем и ЭВМ


В конечном счете ЭВМ обратится к ycтройству, выставившему запрос L (например, чтобы принять из него подготовленную информацию) Для этого ЭВМ формирует и посылает контроллеру крейта соответствующую команду NAF, кото­рая определяет где (сигналы N и А) и что (сигнал F) следует выполнить.

Рассмотренный принцип обмена информацией между вычисли­тельной машиной и функциональными модулями КАМАК несколько упрощен. Реально в системе КАМАК применяется ряд дополни­тельных стандартных для этой системы сигналов, использование которых увеличивает надежность и гибкость передачи информации.

Введение микро-ЭВМ непосредственно в контроллер крейта существа дела не меняет. В этом случае обмен информацией между магистралями КАМАК и микро-ЭВМ происходит аналогичным образом, т. е. так же, как и с внешней ЭВМ.

При создании сложных измерительных комплексов, в которых количество, функциональных модулей превышает число мест,

пред­усмотренных для их размещения в одном крейте, модули устанав­ливают в нескольких крейтах, т. е. создают так называемые многокрейтные системы. Документацией по системе КАМАК предусмотрены два стандартных способа подключения к ЭВМ нескольких крейтов: организация параллельной или последовательной ветвей КАМАК. Параллельная ветвь позволяет объединять в единую измерительную систему до 7 крейтов, последовательная ветвь — до 62. Существуют и другие, не определенные стандартом способы создания многокрейтных систем; некоторые из них получили доста­точно широкое распространение.

Дальнейшее развитие системы КАМАК связано с реализацией принципа «распределенного интеллекта», т. е. стремлением исполь­зовать в установке целую систему вычислительных средств от простейших микропроцессорных систем до мощных универсальных ЭВМ. Каждое вычислительное средство системы выполняет посиль­ную для него работу. Это позволяет разгрузить основную вы­числительную машину от рутинных операций, сосредоточив в ней функции центрального вычислителя и координатора. Комитетом ESONE были разработаны рекомендации и предложен способ использования в одной крейте кроме основного нескольких до­полнительных контроллеров. Через дополнительные контроллеры к общей измерительной системе могут быть подключены другие вычислительные машины, на которые возлагаются определенные функции в ходе эксперимента.

Особенно широкое развитие идея «распределенного интел­лекта» получила с освоением и интенсивным использованием при разработке электронной аппаратуры микропроцессоров. Необходи­мо отметить, однако, что система КАМАК в ее первоначальном виде, в особенности магистраль крейта, не приспособлена для широкого применения микропроцессорных устройств в функци­ональных модулях. Комитетом ESONE в конце 70-х годов опубли­кованы предложения по новому использованию магистрали крейта, т. е. фактически по разработке новой электронной модульной системы на базе конструктивов и магистрали КАМАК, которая специально ориентирована на широкое применение микропроцес­соров. Новая система получила название СОМРЕХ (COMPatible Extended use of CAMAC dataway).

Разработка и появление новых электронных систем, выполнен­ных на современной элементной базе с учетом новых требова­ний к сложным измерительным системам для научных исследова­ний,— процесс вполне закономерный. Система КАМАК тем не менее на начало 80-х годов является наиболее развитой, полу­чившей широкое распространение электронной модульной систе­мой. Она в общем удовлетворяет современным требованиям, предъ­являемым к организации измерительных систем в физике низких, средних и в большинстве случаев высоких энергий. , Система КАМАК также широко используется в других областях — меди­цине, биологии, химии, геологии, астрономии, а также в промыш­ленности.

Система КАМАК, по мнению специалистов, будет развиваться по крайней мере до конца 80-х годов и далее в течение 10—15 лет активно использоваться для автоматизации научных исследований.