3. Моделирование работы контроллера в системе сбора и обработки информации 3.1. Компьютерное моделирование

Возросшие требования к скорости и точности обработки информации, а также значительно увеличившийся ее объем привели к необходимости широкого применения сложной микропроцессорной техники. Однако известно, что рост сложности систем влечет за собой и увеличение требований по обеспечению защиты от ошибок функционирования устройства. В то же время, по причине «человеческого фактора» не все требования к разрабатываемому устройству могут быть учтены на начальном этапе производства. Поэтому для предупреждения появления случайностей в работе системы и их устранения часто применяется моделирование создаваемого изделия с помощью компьютерных технологий.

Техника компьютерного моделирования существенно снижает затраты на разработку модели, а также позволяет отработать функционирование устройств в режимах, близких к реальным, что особенно важно, когда устройство работает в режиме реального времени.

Как правило, микропроцессорная система – это система реального времени, то есть корректность ее функционирования зависит от времени выполнения программ и скорости работы аппаратной части системы. Моделирующая программа позволяет осуществлять выполнение микропроцессорных программ без привлечения имеющихся микропроцессорных аппаратных средств. Возможности такой отладки аналогичны эмуляции, но при этом отсутствует необходимость использования аппаратуры, так что имитационное моделирование ограничивается только отладкой программного обеспечения.

Выгоды от применения моделирования очевидны, однако не все модели могут быть корректно реализованы на практике.

3.2. Практическая модель устройства управления

В предлагаемой работе рассмотрена одна из практических моделей системы сбора и обработки информации. Данная модель может быть применена, например, в навигации. Задачами такой системы являются: обеспечение безопасности навигации, определение координат и направления перемещения объектов, обеспечение обмена информацией между центральным и удаленными объектами. Основным объектом моделирования является контроллер приема-передачи цифровой информации.

Структурная схема системы сбора и обработки информации, в которой функционирует контроллер, представлена на рис. 2. Периферийные посты P1-P7 являются стационарными или подвижными радиопеленгационными постами, работающими в необслуживаемом или обслуживаемом режиме, и управляются командами с центрального поста. Центральный пост, осуществляя сбор информации со всех периферийных постов, позволяет определить параметры, необходимые для обеспечения безопасности навигации (такие как координаты объекта, скорость и траектория перемещения и т.д.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Структурная схема системы сбора и обработки информации

 

Стационарные периферийные посты системы обычно располагаются таким образом, что зона обслуживания одного поста перекрывается зонами обслуживания других постов. Это позволяет осуществить непрерывный контроль местонахождения всех объектов даже при переходе из одной зоны в другую, то есть без потери информации об объекте.

Система сбора и обработки информации представлена в упрощенном варианте, когда система имеет только два периферийных поста Р1 и Р7. Перекрывающиеся зоны пеленгации стационарных постов представлены на рисунке в виде эллипсов пунктирной линией.

Пеленгация объектов осуществляется в моменты времени t’ и t. Показанные в момент времени t пеленгуемые системой перемещающиеся объекты A1, An, Am находились в момент времени t’ соответственно в местах A1’, An’ и Am’. Причем, объект A1 за время (t-t’) покинул зону пеленгации стационарного периферийного поста Р7 и переместился в зону пеленгации поста Р1.

Центральный пост представляет собой блок, состоящий из центрального компьютера с необходимым для обработки и управления данными программным обеспечением и контроллера приема-передачи данных, являющегося основным связующим звеном между периферийными постами и центральным компьютером (рис. 3).

Контроллер позволяет обрабатывать информацию в реальном режиме времени, осуществлять контроль за приемом и передачей цифровых данных и обеспечивает интерфейс с персональным компьютером, необходимым для детальной обработки поступающей информации и обеспечивающим простой интерфейс с пользователем системы. Таким образом, представленный контроллер является критичным звеном всей системы сбора информации, а значит требует тщательной проверки работоспособности и правильности функционирования путем моделирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Контроллер в системе сбора и обработки информации

Контроллер обмена данными функционирует в режимах при ограниченной априорной информации о количестве источников данных и моментах поступления воздействий на контроллер. Под воздействиями понимаются сигналы, приходящие от стационарных постов. Каждый пост принимает информацию от неограниченного множества движущихся источников информации и после накопления и обработки посылает ее контроллеру, который, в свою очередь, обрабатывая поступившие данные, пересылает их в центральный компьютер. При возникновении необходимости передачи данных от центрального компьютера или контроллера стационарным постам, информация передается в стационарный пост Р8, который является, в свою очередь, промежуточным звеном между контроллером и постами Р1-P7.

При готовности к обмену данными, стационарные посты генерируют сигналы прерываний, которые и обслуживают блок обработки прерываний (БОП) контроллера. БОП имеет приоритетную структуру обработки прерываний, что позволяет избежать коллизий при одновременном поступлении нескольких запросов на прерывание. Приоритеты распределены таким образом, что посты с порядковыми номерами от Р1-го до Р7-го имеют более высокие приоритеты, возрастающие с порядковым номером поста так, что седьмой пост имеет наивысший приоритет и, соответственно, обрабатывается первым. При поступлении прерываний от постов блок обработки прерываний определяет порядковый номер стационарного поста, передавшего запрос на прерывание и обладающего наивысшим приоритетом, и переходит к обработке поступивших данных. При готовности к передаче данных пост Р8, так же выставляет запрос на прерывание, однако его приоритет самый низкий из всех постов, что позволяет обрабатывать всю информацию без сбоев.

Адаптация микропроцессора к особенностям конкретной задачи осуществляется в основном путем разработки соответствующего программного обеспечения, заносимого затем в постоянную память программ (ПЗУ).

Внешнее оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) позволяет обеспечить буферизацию всех приходящих данных. Обращение к ОЗУ происходит в ходе выполнения команд управляющей программы.

Контроллер представляет собой сложную систему на основе микропроцессора (рис. 4.) и функционирует независимо от центрального компьютера, поддерживая связь с ним через последовательный порт. В его составе девять приемо-передающих устройств – портов ввода / вывода (Порт 0-Порт 8), обеспечивающих связь контроллера со стационарными постами и центральным компьютером. Порты ввода/вывода настраиваются на работу путем занесения в них инструкции режима и инструкции команд с помощью процессора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Функциональная схема контроллера обмена данными

Семь приемопередающих устройств (портов) программируются только на прием, один приемопередающий программируется только на передачу и один приемо­пере­дат­чик контроллера программируется как на прием, так и на передачу информации. Основным управ­ляю­щим устройством контрол­лера является однокрис­таль­ная микро-ЭВМ (ОЭВМ) K1816BE35.

Из сказанного очевидно, что программное обеспечение играет одну из важных ролей при разработке устройства, поэтому в состав модели были включены программы, управляющие функционированием контроллера. Так как разработанное программное обеспечение может явиться одной из причин возникновения неопределенностей или случайностей, появилась необходимость моделирования работы контроллера под управлением разработанного программного обеспечения. Все программное обеспечение для контроллера можно свести к следующим блокам:

1.     Программа начальной настройки всех частей контроллера приема-передачи информации на нормальный (стандартный) режим работы.

2.     Программа обработки информации, поступающей от принимающих портов ввода/вывода контроллера. Обслуживает порты с 0 по 7.

3.     Программа обслуживания портов ввода/вывода контроллера, работающих на передачу. Обслуживает порты с номерами 0-8.

Так как обслуживание портов происходит по мере поступления запросов на прерывания в контроллер, то важно было промоделировать именно механизм обработки прерывания от портов, а соответственно и правильность начальной установки системы.

Первоначальные испытания работы контроллера на модели показали, что максимальное время обработки запросов на прерывание контроллером от принимающих портов ввода/вывода значительно превышает максимальное время, полученное расчетным путем. В связи с этим, в схему были внесены некоторые корректировки. После чего испытания повторились.

Максимальное время обработки прерывания от порта ввода/вывода контроллера, полученное по результатам вторичного моделирования программы, обслуживающей принимающие порты, не превысило максимального времени, полученного расчетным путем, хотя и было очень близким к нему при некотором соотношении случайных параметров, воздействующих на входы контроллера.

Максимальное время обработки прерывания программой управления передающими портами, также полученное по результатам тестирования на модели, оказалось менее критичным и составило около 2/3 от максимальной величины временного интервала, предоставляемого для обработки запроса на прерывание.

Таким образом, компьютерная модель позволила внести изменения в схему контроллера на начальном этапе разработки, что позволило избежать затрат на изменение параметров контроллера в период эксплуатации.

Список использованных источников

1.     Авен О.И., Гурин Н.Н., Коган Я.А. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. – М.: Наука, 1982. – 464 с.

2.     Альянах И.Н. Имитационное моделирование вычислительных систем. – Л.: ЛИМТУ, 1983. – 92 с.

3.     Альянах И.Н. Моделирование вычислительных систем. – Л.: Машиностроение, 1988. – 223 с.

4.     Демиденко Е.3. Линейная и нелинейная регрессия. – М.: Статистика, 1981. 300 с.

5.     Дружинин В.В., Конторов Д.С. Системотехника. – М.: Радио и связь, 1985. – 200 с.

6.     Основы моделирования сложных систем / Дыхненко Л.И., Кабаненко В.Ф., Кузьмин И.В. и др. – Киев: Вища шк., 1981. – 359 с.

7.     Железнов И.Г. Сложные технические системы. (Оценка характеристик). – М.: Высш. шк., 1984. – 119 с.

8.     Жогин В.А., Харькова Л.В., Кузнецова М.В. Исследование деятельности операторов методом полунатурного моделирования при введении отказов аппаратуры // Пробл. системотехники. – Л., 1980. С. 363-365.

9.     Клейнен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании. – М.: Мир, 1978. – Т. 1. –  222 с. – Т. 2. 395 с.

10.   Массарский Л.В., Шуб Л.Л. Имитационный комплекс взаимодействия АСУ и производственной модели объекта управл-ения. – Калинин: Центр-программсистем, 1980. – 36 с.

11.   Мудров В.И., Кушко В.Л. Методы обработки измерений. – М.: Сов. радио, 1976. – 190 с.

12.   Николаев В.И., Брук В.М. Системотехника: методы и приложения. – Л.: Машиностроение, 1985. – 199 с.

13.   Пранявичюс Г. Модели и методы исследования вычислительных систем. – Вильнюс: Мокслас, 1982. – 228 с.

14.   Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. – М.: Высш. шк., 1985. – 271 с.

15.   Тараканов К.В., Овчаров Л.А., Тырышкии А.Н. Аналитические методы исследования систем. – М.: Сов. радио, 1974. – 240 с.

16.   Хастингс Н., Пикок Дж. Справочник по статистическим распределениям. – М.: Статистика, 1980. – 95 с.

17.   Шеннон Р. Имитационное моделирование систем – искусство и наука / Пер. с англ. – М.: Мир, 1978. – 418 с.