Основы автоматизации Ямный,Яновский

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКОГОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Авторы Ямный В.Е., Яновский В.П.

1

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современный физический эксперимент представляет собой сложную управляемую систему, состоящую из множества взаимосвязанных подсистем, объединенных общей целью функционирования. Сложность и большие материальные затраты для проведения научных исследований ставят задачу повышения их эффективности, что обеспечивается автоматизацией, применением компьютеров и современных математических методов обработки экспериментальных данных. Однако главной составляющей эффективности научных исследований является сам исследователь, который должен хорошо разбираться в устройствах и системах автоматизации, принципах организации и планировании эксперимента.

Предлагаемое учебное пособие написано в виде курса лекций, который авторы читают на физическом факультете Белорусского государственного университета и на факультете мониторинга окружающей среды Международного государственного экологического университета им. А. Д. Сахарова. Круг вопросов по автоматизации физического эксперимента чрезвычайно широк. В книге рассмотрен путь прохождения экспериментальных данных от датчиков до обработки их на ЭВМ, а также предоставлены сведения по элементной базе систем автоматизации. Задачи подробно останавливаться на проблемах планирования эксперимента, борьбы с помехами, методах обработки экспериментальных данных не ставилось.

Авторы пособия выражают благодарность коллегам кафедре ядерной физики Э. А. Авданиной, С. Е. Чалей и И. В. Деминой, а также сотрудникам Управления редакцион- но-издательской работы БГУ за помощь в подготовке рукописи к изданию.

3

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, СИМВОЛИЧЕСКИХ ИМЕН И АББРЕВИАТУР

	РУССКАЯ НОТАЦИЯ
АЛУ	– арифметико-логическое устройство
БВВ	– блок ввода/вывода
ВВ/ВЫВ	– ввод/вывод
ВПД	– внешняя память данных
ВПП	– внешняя память программ
ЗУ	– запоминающее устройство
ЗУПВ	– запоминающее устройство с произвольной выборкой
ИС	– интегральная схема
КЛБ	– конфигурируемый логический блок
КС	– комбинационная схема
КМОП	– комплементарный МОП
ЛБ	– логический блок
ЛИЗМОП	– МОП-транзистор с плавающим затвором с использованием
	механизма лавинной инжекции
ЛЭ	– логический элемент
МЗР	– младший значащий разряд
МК	– микроконтроллер
МОП	– металл – оксид – полупроводник
МП	– микропроцессор
МЦ	– машинный цикл
ОЗУ	– оперативное запоминающее устройство
ПЗУ	– постоянное запоминающее устройство
ППЗУ	– программируемое постоянное запоминающее
	устройство
ПЛИС	– программируемая логическая интегральная схема
ПЛМ	– программируемая логическая матрица (PLA)
ПМЛ	– программируемая матрица логики (PAL)
РОН	– регистр общего назначения
РПД	– резидентная память данных
РПЗУ	– репрограммируемое ПЗУ
РПП	– резидентная память программ
РСФ	– регистр специальных функций
СДНФ	– совершенная дизъюнктивная нормальная форма
СЗР	– старший значащий разряд
СК	– счетчик команд
СКНФ	– совершенная конъюнктивная нормальная форма

4

Т/Сч			– таймер/счетчик
ТТЛ			– транзисторно-транзисторная логика
ТТЛШ			– ТТЛ с диодами Шоттки
УАПП			– универсальный асинхронный приемопередатчик
			(последовательный порт)
ЦП			– центральный процессор
ША			– шина адреса
ШД			– шина данных
ШУ			– шина управления
ЭСЛ			– эмиттерно-связанная логика
А			АНГЛИЙСКАЯ НОТАЦИЯ
			– аккумулятор
АС			– флаг вспомогательного переноса (Auxiliary Carry flag)
ad			– прямой 8-битный адрес байта РПД (0 – 127) или РСФ
add			– прямой 8-битный адрес назначения
ads			– прямой 8-битный адрес источника
ad 11			– прямой 11-битный адрес передачи управления
ad 16			– прямой 16-битный адрес передачи управления
ALE			– управляющий сигнал строба адреса внешней памяти
ASCII			(Address Latch Enable)
			– Американский стандартный код для обмена информацией
B			(American Standard Code for Information Interchange)
			– 1) регистр общего назначения микропроцессора
<В2>			2) регистр АЛУ микроконтроллера
			– второй байт кода команды
<В3>			– третий байт кода команды
bit			– прямой адрес бита РПД или РСФ
<byte>			– однобайтный операнд;
CISC			– с полным набором команд (Complete Instruction Set
C			Computer)
			– флаг основного переноса
CPLD			– сложные PLD (Complex PLD)
CS			– выборка кристалла (Chip Select)
			– бит выбора режима работы таймера/счетчика в
C /T
			качестве таймера или в качестве счетчика (Timer or
			Counter selector in TMOD)
CY			– флаг вспомогательного переноса в МП Intel 8080
#d8			– 8-битный непосредственный операнд (константа)
#d16			– 16-битный непосредственный операнд (константа)

5

D			– регистр общего назначения микропроцессора
ddd			– адрес регистра-приемника
dest			– приемник
DPL			– младший байт DPTR (Data Pointer Low)
DPH			– старший байт DPTR (Data Pointer High)
DPTR			– регистр-указатель данных (Data Pointer)
E			– регистр общего назначения микропроцессора
			– управляющий сигнал отключения резидентной памяти
	EA
fГТИ			программ
			– частота генератора тактовых импульсов
FLEX			– матрицы элементов гибкой логики (Flexible Logic
FPGA			Element Matrix)
			– программируемая пользователем вентильная матрица
			(Field Programmable Gate Array)
GATE			– бит управления Т/Сч (Gating Control bit in TMOD)
H			– регистр общего назначения микропроцессора
IE			– 1) регистр разрешения прерываний (Interrupt Enable
			register)
			2) флаг запроса внешнего прерывания (Interrupt Edge
			flag in TCON)
INT			– запрос прерывания (Interrupt)
IOE			– элемент ввода/вывода
IP			– регистр приоритетов прерываний (Interrupt Priority
			control register)
IT			– бит выбора типа прерываний (Interrupt Type control bit
L			in TCON)
			– регистр общего назначения микропроцессора
LAB			– блок логических матриц (Logic Array Block)
М0, М1			– биты выбора режима работы таймера/счетчика
			(Operating Mode in TMOD)
MACH			– КМОП-макроматрицы высокой плотности (Macro
			Array CMOS High-density)
MAX			– многократные матричные таблицы (Multiple Array
OV			Matrix)
			– флаг переполнения
Р			– флаг четности (паритета)
РС			– счетчик команд
PCON			– регистр управления потреблением (Power Control
			register)

6

PAL	– программируемая матрица логики (Programmable
	Array Logic)
PLA	– программируемая логическая матрица (Programmable
PLD	Logic Array)
	– программируемое логическое устройство
PROG	(Programmable Logic Device)
	– управляющий сигнал для программирования РПП
PROM	– программируемое постоянное запоминающее
PSEN	устройство (Programmable Read-Only Memory)
	– управляющий сигнал разрешения ВПП
PSW	– регистр слова состояния (Program Status Word)
Р0	– порт 0
Р1	– порт 1
Р2	– порт 2
Р3	– порт 3
q	– основание системы счисления
RAM	– ЗУПВ
rel	– 8-битный относительный адрес передачи управления
	(–127 … +128)
ROM	– Read Only Memory (ПЗУ)
RQINR	– запроса прерывания
RD	– 1) сигнала чтения внешней памяти данных
	2) выходной сигнал МП, указывающий на то, что ШД
	находится в режиме приема
REN	– бит разрешения приема в УАПП (Receiver Enable

	control bit in SCON)
RS1, RS0 – флаги указателя банка регистров общего назначения
RB8	– девятый (bit 8) принятый бит (Receive Bit 8 in SCON)
RI	– флаг прерываний приемника (Received Interrupt flag in
	SCON)
RISC	– с сокращенным набором команд (Reduced Instruction
	Set Computer)
RST	– сигнал установки в исходное состояние (Reset)
RхD	– вход приемника УАПП (Receive Data)
Ri	– обобщенное имя регистра косвенного адреса (R0 или R1)
Rn	– обобщенное имя РОН (n = 0 – 7)
S	– флаг знака
SBUF	– буфер приемника, буфер передатчика УАПП
SCON	– регистр управления УАПП
SFR	– регистр специальных функций (Special Function Register)

7

SM0, SM1, SM2 – биты режима работы УАПП (Serial Port Mode control

	bits in SCON)
SP	– регистр–указатель стека (Stack Pointer)
SPLD	– стандартные (Standart) PLD
SR	– входной сигнал установки МП в исходное состояние
SRAM	– статическая память с произвольным доступом
src	– иcточник
sss	– адрес регистра-источника
ТВ8	– девятый (bit 8) передаваемый бит (Transmit Bit 8 in
TCON	SCON)
	– регистр управления/состояния таймера/счетчика
T0, T1	(Timer/counter Control/status register)
	– вход таймера/счетчика 0 и вход таймера/счетчика 1
TF	– флаг переполнения таймера/счетчика
TH	– старший байт таймера/счетчика
TI	– флаг прерываний передатчика УАПП
TL	(Transmit Interrupt flag in SCON)
	– младший байт таймера/счетчика
TMOD	– регистр режима работы таймеров/счетчиков
TR	– 1) входной сигнал запроса устройства ввода-вывода на
	прямой доступ к памяти
	2) бит включения/выключения таймера/счетчика
TхD	– выход передатчика УАПП (Transmit Date)
WR	– сигнал записи во внешнюю память данных
Z	– флаг нуля
	СПЕЦИАЛЬНЫЕ СИМВОЛЫ
#	– префикс непосредственного операнда

@– префикс косвенной адресации

(х)	– содержимое регистра или прямо адресуемого байта
((Ri))	– содержимое ячейки РПД, адресуемой содержимым
	регистра Ri (i = 0, 1);

←– оператор присваивания (замещения)

↔– оператор взаимного обмена

, ,	– операторы логических операций: И (конъюнкция),
Н	ИЛИ (дизъюнкция), исключающее ИЛИ
	– суффикс шестнадцатеричного кода

8

Лекция 1

СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

В настоящее время невозможно представить себе физический эксперимент, который не был бы полностью или частично автоматизирован. Каждый такой эксперимент можно представить обобщенной структурной схемой (рис. 1.1). В экспериментальной установке воспроизводится исследуемое явление. Она может содержать десятки тысяч элементов и блоков, необходимых для задания и поддержания определенных условий проведения эксперимента. Для этой цели экспериментальная установка снабжается системой управления. Результаты эксперимента в виде изменяемых или постоянных (что крайне редко) физических величин должны быть преобразованы с помощью первичных преобразователей (иногда их называют датчиками или сенсорами) в электрический сигнал. Например, изменение температуры может быть преобразовано в изменение сопротивления медной или платиновой проволоки, в изменение разности потенциалов на термопаре, в изменение падения напряжения на р – n-пере- ходе и т. д. Собственно первичные преобразователи могут представлять достаточно сложные физические системы, в которых происходит одно или несколько преобразований искомой физической величины в другую физическую величину, а затем в электрический сигнал, например, γ-кванты преобразуются в световые фотоны с помощью соответствующих кристаллов, затем фотоны, взаимодействуя с металлическим катодом фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), выбивают из него электроны. Затем происходит их умножение в ФЭУ в тысячи раз, что воспринимается нагрузкой как непрерывный импульсный ток. Для задания требуемого коэффициента усиления изменяют напряжение на динодах ФЭУ с помощью управления источником питания ФЭУ. В связи с тем, что по напряжению (току) на выходе первичного преобразователя рассчитывают значения физической величины, наиболее просто это осуществить, когда между выходным напряжением и физической величиной существует линейная связь.

Первичные преобразователи для многих физических экспериментов проектируются индивидуально для каждой экспериментальной установки. Однако существуют и унифицированные преобразователи, например температуры или другой физической величины в электрический сигнал. Сигнал на выходе первичного преобразователя может изменяться от очень малых величин, соизмеримых с его собственными шумами, до

9

достаточно больших величин, ограниченных сверху допустимыми нелинейными искажениями. Для некоторых экспериментов динамический диапазон изменения сигналов может составлять 100–120 дБ.

ПП1 МУ1 Ф1 ВП1

ППn МУn Фn ВПn

Рис. 1. 1. Структурная схема автоматизированного эксперимента. Здесь: ПП1 – ППn – первичные преобразователи (датчики) физических величин в электрические сигналы; МУ1 – МУn – масштабирующие устройства (усилители, делители) электрических сигналов; Ф1 – Фn – фильтры; ВП1 – ВПn – вторичные преобразователи аналоговых электрических сигналов в цифровые сигналы

Как известно, эксперименты можно разделить на качественные и количественные. Как правило, качественные эксперименты редко автоматизируются. Для количественного эксперимента необходимо установить количественную связь, описывающую состояние экспериментальной установки, поэтому для этой цели аналоговые электрические сигналы на выходе первичных преобразователей должны быть преобразованы в цифровые данные с помощью специальных вторичных преобразователей, которые носят название аналого-цифровых преобразователей. В настоящее время аналого-цифровые преобразователи унифицированы и выпускаются серийно, поэтому они работают с сигналами заданного размера. В то же время первичные преобразователи, как правило, не унифицированы, поэтому для согласования выходных сигналов первичных преобразователей и допустимых входных уровней вторичных пре-

образователей	существуют масштабирующие устройства (усилители
и делители).	теореме отсчетов [1] для преобразования непрерывных
Согласно

аналоговых сигналов в цифровую форму необходимо осуществить не менее N преобразований в секунду, причем:

N ≥ 2Fmax ,

(1.1)

где Fmax – максимальная частота в спектре преобразуемого сигнала.

10