устройство для сбора, обработки и пакетной передачи результатов измерения параметров физической среды

Формула изобретения

Устройство для сбора, обработки и пакетной передачи результатов измерения параметров физической среды, содержащее управляющий вычислительных комплекс с адресно-информационной и командной магистралью, группу из n аналоговых измерительных датчиков, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки данных, оперативное запоминающее устройство, буферное запоминающее устройство, коммутатор и блок управления коммутаторов, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, а выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом блока обработки данных, отличающееся тем, что в него введены вторая группа из n аналоговых измерительных датчиков, n 1 аналого-цифровых преобразователей первой группы и n аналого цифровых преобразователей второй группы, n 1 блоков обработки данных первой группы и n блоков обработки данных второй группы, второй коммутатор, второй блок управления коммутатором, k 1 оперативное запоминающее устройство, второе буферное запоминающее устройство, два формирователя передаваемой информации, два узла передачи данных и канал ввода-вывода, причем коммутаторы выполнены в виде соединителей n k, а выход второго блока управления коммутатором соединен с управляющим входом второго коммутатора, при этом выход каждого из n 1 аналого-цифровых преобразователей первой группы связан с информационным входом соответствующего блока обработки данных первой группы, а выход каждого из n аналого-цифровых преобразователей второй группы с информационным входом соответствующего блока обработки данных второй группы, выход i-го аналогового измерительного датчика (i 1 + n) первой и второй группы подсоединен к входу i-го аналого-цифрового преобразователя соответствующей группы, выход i-го блока обработки данных первой и второй группы связан с i-м входом первого и второго коммутатора, j-й выход (j 1 + k) первого и j-й выход второго коммутаторов подключены к информационному входу j-го оперативного запоминающего устройства, первый выход каждого из которых соединен с информационным входом первого буферного запоминающего устройства, а второй выход с информационным входом второго буферного запоминающего устройства, первые выходы первого и второго буферных запоминающих устройств подсоединены к информационному входу первого формирователя передаваемой информации, а вторые их выходы к информационному входу второго формирователя передаваемой информации, выход которого связан с вторыми входами первого и второго узлов передачи данных, первые входы которых подключены к выходу первого формирователя передаваемой информации, периферийный вход-выход канала ввода-вывода, соединенного с адресно-информационной и командной магистралью управляющего вычислительного комплекса, связан с информационно-управляющими входами-выходами блоков обработки данных первой и второй группы, управляющие входы аналого-цифровых преобразователей первой и второй группы, управляющие входы первого и второго блоков управления коммутатором, адресно-управляющие входы оперативных запоминающих устройств и буферных запоминающих устройств, информационно-управляющие входы формирователей передаваемой информации и управляющие входы узлов передачи данных подключены соответственно к первому - восьмому периферийным выходам канала ввода-вывода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к вычислительной и информационно-измерительной технике и может быть использовано в автоматизированных многоканальных информационно-измерительных системах, работающих в необслуживаемом режиме, в частности, в системах мониторинга окружающей среды и контроля экологической обстановки.

Известна система сбора, обработки и регистрации данных, ориентированная на обработку измерительной информации, представленной аналоговыми сигналами, и содержащая блок сопряжения с датчиками, в котором измерительная информация с датчиков через аналоговый мультиплексор, управляющие входы которого подключены в регистру номера канала, аналого-цифровой преобразователь, буферный регистр данных и установленный на выходе блока сопряжения буфер внутренней магистрали поступает на магистраль сбора данных, к которой подключены таймер и блок предварительной обработки, связанный через главную магистраль с центральным блоком обработки, буферным запоминающим устройством, контроллером накопителя на магнитной ленте и контроллером дисплея [1]

Недостатки этой системы заключаются в ее малой гибкости при обслуживании большого количества измерительных датчиков и в малой производительности из-за неэффективного использования вычислительной мощности входящих в ее состав средств обработки данных, значительная часть времени работы которых затрачивается на выполнение операций управления и операций пересылки данных.

Известно многоканальное устройство для регистрации, содержащее блок управления с адресно-информационной и командной магистралью, к которой подключены каналы сбора, преобразования и регистрации измерительных данных, при этом каждый из каналов содержит последовательно соединенные программируемый усилитель, на вход которого поступает измерительная информация от источника аналогового сигнала, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти и формирователь выходного сигнала, подсоединенный своим выходом к магистрали, а также соответствующие блоки сопряжения, входы которых связаны с адресно-информационной и командной магистралью, а выходы с входами управления соответственно программируемого усилителя, аналого-цифровой преобразователя, блока памяти и формирователя выходного сигнала, при этом синхровходы всех каналов сбора, преобразования и регистрации измерительных данных и блока управления связаны с выходом генератора тактовых импульсов [2]

В этом устройстве не обеспечивается режим передачи для регистрации только тех значений входного аналогового сигнала, которые превышают некоторую заранее установленную величину, заданную границу нормального протекания исследуемого процесса, что в некоторых случаях приводим в накоплению в блоке памяти малозначимой избыточной информации и, следовательно, неэффективному использованию входящего в состав устройства оборудования. Кроме того, в известном устройстве отсутствует возможность осуществления первичной экспресс-обработки измерительных данных, позволяющей исключать из накапливаемых пакетов измерительной информации недостоверные результаты единичных измерений, возникающие в результате воздействия на измерительные аналоговые датчики и цепи преобразования их выходных сигналов разнообразных помех.

Известно также устройство для ввода информации, подключаемое к центральному процессору и предназначенное для сбора и экспресс-обработки информации от аналоговых и цифровых датчиком [3]

Данное устройство содержит аналоговые датчики, коммутатор, в качестве которого использован мультиплексор аналоговых сигналов, блок управления коммутатором, блоки буферной и оперативной памяти и блок сбора и обработки данных, связанный с блоком микропрограммного управления.

К недостаткам данного устройства, осуществляющего анализ входной информации, например, экстремальный анализ, отсев сбойной информации, статический анализ, следует отнести невозможность одновременной регистрации сигналов нескольких аналоговых датчиков.

Кроме того, известные устройства не ориентированы на использование в их составе существующих комплексов технических средств, эксплуатируемых в сетях связи, в частности выпускаемого промышленностью и апробированного оборудования квазиэлектронных автоматических телефонных станций (АТСКЭ).

Задачей данного изобретения является создание устройства для сбора, обработки и пакетной передачи результатов измерения параметров физической среды, работающего в необслуживаемом режиме, ориентированного как на автономную эксплуатацию, так и на эксплуатацию в качестве одного из периферийных устройств сети связи, обеспечивающего отсутствие гальванической связи неопрашиваемых в данный момент датчиков с электрическими схемами блоков преобразования и передачи результатов измерения и осуществляющего при приемлемых аппаратурных затратах регистрацию всей необходимой, малоизбыточной и достоверной информации об исследуемом процессе как при его нормальном протекании, так и в случае выхода значений параметров, характеризующих этот процесс, за границы установленные предельных величин.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для сбора, обработки и пакетной передачи результатов измерения параметров физической среды, содержащее управляющий вычислительный комплекс с адресно-информационной и командной магистралью, группы из n аналоговых измерительных датчиков, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки данных, оперативное запоминающее устройство, буферное запоминающее устройство, коммутатор и блок управления коммутатором, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, а выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом блока обработки данных, введены вторая группа из аналоговых измерительных датчиков, (n 1) аналого-цифровых преобразователей первой группы и n аналого-цифровых преобразователей второй группы, (n 1) блоков обработки данных первой группы и блоков обработки данных второй группы, второй коммутатор, второй блок управления коммутатором, (k 1) оперативное запоминающее устройство, второе буферное запоминающее устройство, два формирователя передаваемой информации, два узла передачи данных и канал ввода-вывода, причем коммутаторы выполнены в виде соединителей n x k, а выход второго блока управления коммутатором соединен с управляющим входом второго коммутатора, при этом выход каждого из (n 1) аналого-цифрового преобразователя первой группы связан с информационным входом соответствующего блока обработки данных первой группы, а выход каждого из n аналого-цифровых преобразователей второй группы с информационным входом соответствующего блока обработки датчика (i 1 + n) первой и второй группы подсоединен к входу i-го аналого-цифрового преобразователя соответствующей группы, выход i-го блока обработки данных первой и второй группы связан с i-м входом первого и, соответственно, второго коммутатора, j-й выход (j 1 + k) первого и j-й выход второго коммутаторов подключены к информационному входу j-го оперативного запоминающего устройства, первый выход каждого из которых соединен с информационным входом первого буферного запоминающего устройства, а второй выход с информационным входом второго буферного запоминающего устройства, первые выходы первого и второго буферных запоминающих устройств подсоединены к информационному входы первого формирователя передаваемой информации, а вторые их выходы к информационному входу второго формирователя передаваемой информации, выход которого связан со вторыми входами первого и второго узлов передачи данных, первые входы которых подключены к выходу первого формирователя передаваемой информации, периферийный вход-выход канала ввода-вывода, соединенного с адресно-информационной и командной магистралью управляющего вычислительного комплекса, связан с информационно-управляющими входами-выходами блоков обработки данных первой и второй групп, управляющие входы аналого-цифровых преобразователей первой и второй группы, управляющие входы первого и второго блоков управления коммутатором, адресно-управляющие входы оперативно запоминающих устройств и буферных запоминающих устройств, информационно-управляющие входы формирователей передаваемой информации и управляющие входы узлов передачи данных подключены соответственно к первому, второму и третьему, четвертому, пятому, шестому, седьмому и восьмому периферийным выходам канала ввода-вывода.

На чертеже представлена блок-схема устройства для сбора, обработки и пакетной передачи результатов измерения параметров физической среды, выполненного согласно данному изобретению для сбора информации с шестнадцати аналоговых измерительных датчиков параметров физической среды.

Устройство содержит аналоговые измерительные датчики 1,1 ^oC 1,8 первой группы, аналоговые измерительные датчики 2,1 ^oC 2,8 второй группы, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 3,1 ^oC 3,8 первой группы и АЦП 4,1 ^oC 4,8 второй группы, блоки 5,1 ^oC 5,8 обработки данных первой группы и блоки 6,1 ^oC 6,8 обработки данных второй группы, первый 7,1 и второй 7,2 коммутаторы, первый 8,1 и второй 8,2 блоки управления коммутаторов, оперативные запоминающие устройства 9,1 ^oC 9,4, буферные запоминающие устройства 10,1 и 10,2, формирователи 11,1 и 11,2 передаваемой информации, узлы 12,1 и 12,2 передачи данных, канал 13 ввода-вывода и управляющий вычислительный комплекс 14 с адресно-информационной и командной магистралью 15.

В качестве датчиков 1,1 ^oC 1,8 и 2,1 ^oC 2,8 могут быть использованы различные аналоговые измерительные датчики, например, измерители параметров физических величин, характеризующих уровень радиационной загрязненности атмосферы и интенсивность ионизирующих излучателей.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 3,1 ^oC 3,8 и 4,1 ^oC 4,8 могут быть выполнены как в виде АЦП прямого преобразования с входном управления выводом результата, так и на микросхеме К 1108ПВ2А, представляющей собой быстродействующий АЦП последовательного приближения.

Каждый из блоков 5,1 ^oC 5,8 и 6,1 ^oC 6,8 обработки данных состоит из процессора сбора данных, в качестве которого может быть использована микросхема К1804ВС1, и блока микропрограммного управления, содержащего блок памяти микропрограмм, узел управления последовательностью микрокоманд (например микросхема К1804ВУ4), регистр адреса микрокоманд и шинный формирователь. При этом в качестве блока памяти микропрограмм может быть использовано как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), так и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). В случае, если объем памяти внутренних регистров процессора сбора данных окажется недостаточным для хранения вводимого в процессор блока данных, в состав блока обработки данных может быть введено оперативное запоминающее устройство требуемой емкости.

Каждое из оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) 9,1 ^oC 9,4 и каждое из буферных запоминающих устройств (БЗУ) 10,1 и 10,2 может быть реализовано на микросхеме К565РУ1. Особенность выполнения этих запоминающих устройств заключается у каждого из них двух запараллельных по информационным входам выходных регистров с тремя состояниями на выходе, имеющих раздельные входы управления состоянием.

Формирователи 11,1 и 11,2 передаваемой информации предназначены для формирования сообщения стандартного формата, состоящего, например, из пяти шестнадцатиразрядных слов, содержащих, соответственно, служебную информацию о времени измерения, индексе передаваемого измеренного параметра, номере датчика, номере прибора и измерительные данные о текущем значении параметра.

Формирователи 11,1 и 11,2 передаваемой информации могут быть выполнены, например, на базе сдвигающих регистров с параллельной записью информации, поступающей от различных источников на входы соответствующих разрядов и регистров, и ее последовательным или параллельно-последовательным считыванием.

Для реализации коммутаторов 7,1 и 7,2, блоков 8,1 и 8,2 управления коммутатором, узлов 12,1 и 12,2 передачи данных, канала 13 ввода-вывода и управляющего вычислительного комплекса 14 с адресно-информационной и командной магистралью 15 могут быть использованы серийно выпускаемые технические средства, входящие в состав оборудования АТСКЭ типа "Квант" [4, 5]

Управляющий вычислительный комплекс 14 может состоять из одной или двух, в случае выполнения его резервированным, специализированных управляющих ЭВМ, микропрограммные процессоры которых имеют четыре аппаратных уровня программы с глубиной ухода на подпрограмму, равной четырем на каждом уровне.

Структурно управляющая ЭВМ содержит подключенные к адресно-информационной о командной магистрали микропрограммный процессор, состоящий из накопителя микропрограмм, устройства управления и арифметико-логического устройства, оперативное запоминающее устройство, включающее в свой состав матрицу динамической памяти, узел стыковки с запоминающим устройством и формирователь адресных токов, генератора тактовых импульсов со схемой управления тактовыми импульсами и канала ввода для ввода программы обслуживания и исходных данных с устройства ввода, в качестве которого может быть использован, например, кассетный накопитель на магнитной ленте или магнитофон [5, с. 31 56]

В случае выполнения управляющего вычислительного комплекса 14 резервированием в его состав включается канал межмашинного обмена, обеспечивающего синхронную работу обеих управляющих ЭВМ и сравнение результата их функционирования.

Канал 13 ввода-вывода, в состав которого входят также и блоки канала для связи с периферийным оборудованием (см. [5] с. 57 66) предназначен для передачи и согласования временных и электрических параметров сигналов, которыми обмениваются в процессе работы управляющий вычислительный комплекс 14 и подключенное к каналу периферийное оборудование, обеспечивая при этом их полную гальваническую развязку. Имеющееся в канале 13 ввода-вывода оборудование (дешифраторы выбора координат, блоки управления и сканирования объектов периферии, интерфейс сигналов управления и сканирования и т.п.) позволяют передавать сигналы к периферийным устройствам или принимать сигналы от периферийных устройств.

Узлы 12,1 и 12,2 передачи данных предназначен для преобразования поступающей на их входы числовой информации и передачи ее по линии связи многочисленным способом кодом "2 из 6" методом импульсный челнок, импульсный пакет и т.п.

Коммутаторы 7,1 и 7,2, выполненные каждый в виде соединителя 8 х 4, представляют собой, например, комбинацию стандартных двухпроводных матричных ферритовых соединителей МФС 1. Управление работой таких соединителей осуществляется блоками 8,1 и 8,2 управления коммутатором, в которых имеются генераторы колоколообразных импульсов, подключаемые с помощью стандартного оборудования АТСКЭ типа "Квант" к требуемым в данный момент управляющим шинам соединителя. Сигналы управления этим подключением поступают в блоки 8,1 и 8,2 из канала 13 ввода-вывода, в составе которого имеются также и исполнительные устройства управления коммутационным полем.

Устройство для сбора, обработки и пакетной передачи результатов измерения параметров физической среды работает следующим образом.

Запуск устройства инициируется после ввода в управляющий вычислительный комплекс (УВК)14 программ обслуживания и служебного информационного массива, каждый элемент которого содержит номер датчика, пороговое значение измеряемого этим датчиком параметра и другую определяемую пользователем служебную информацию.

После запуска УВК 14 осуществляют загрузку программ экспресс-обработки измерительных данных в блоки 5,1 ^oC 5,8 и 6,1 ^oC 6,8 обработки данных, а именно в ОЗУ входящих в состав этих частей устройства блоков микропрограммного управления. Если в блоках обработки данных для хранения программ экспресс-обработки результатов измерения используется ПЗУ, то операция загрузки программ экспресс-обработки отсутствует.

По завершении процедур загрузки устройство переходит в процедуре сбора и экспресс-обработки измерительных данных.

УВК 14 в соответствии с программой обслуживания осуществляет опрос аналоговых измерительных датчиков 1,1 ^oC 1,8 и 2,1 ^oC 2,8, управляя через канал 13 ввода-вывода работой АЦП 3,1 ^oC 3,8 и 4,1 ^oC 4,8. Частота и порядок опроса датчиков задается программно и может изменяться в процессе работы устройства, причем возможен одновременный опрос нескольких или даже всех датчиков.

В каждый из блоков 5,1 ^oC 5,8 и 6,1 ^oC 6,8 обработки данных записывается несколько (например, 15 20) текущих значений соответствующего измеряемого параметра. Затем, по команде УВК, осуществляется обработка накопленных данных. При этом может выполняться экстремальный анализ, отсев сбойной информации, статистический анализ, т. е. вычисление среднего арифметического значения, среднего квадратичного отклонения и т.п. Окончательный результат этой экспресс-обработки сравнивается с переданным из УКВ 14 через канал 13 ввода-вывода и хранящимся в одном из внутренних регистров процессора блока обработки данных пороговым значением измеряемого параметра. 0результат этого сравнения через канал 13 ввода-вывода поступает в УВК 14, где интерпретируется либо как запрос на очередной цикл опроса соответствующего датчика, либо как запрос на предоставление доступ к одному из ОЗУ 9,1 ^oC 9,4.

Если полученное в процессе экспресс-обработки значение измеряемого параметра не выходит за пределы заданного порогового значения, то оно в дальнейшем не регистрируется, а УВК 14, подавая управляющие сигналы на соответствующие АЦП и блок обработки данных, осуществляет очередной цикл опроса соответствующего датчика.

Если же полученное при экспресс-обработке значение измеряемого параметра превышает установленную для этого параметра пороговую величину, то УВК 14 осуществляет запись этой информации в любое доступное в данный момент оперативное запоминающее устройство 9,1 ^oC 9,4, т.е. в то ОЗУ, в котором данный момент времени не осуществляется, например, регенерация хранимой информации. Для этого УВК 14 через канал 13 ввода-вывода и блок 8,1 или 8,2 управления коммутатором производит соответствующие соединения входов и выходов коммутаторов 7,1 или 7,2, задает адрес очередной ячейки выбранного ОЗУ и по получении от одного из блоков 5,1 ^oC 5,8 или 6,1 ^oC 6,8 обработки данных сигналов о превышении значением измеряемого параметра пороговой величины передает на это ОЗУ сигнал разрешения записи. В предельном случае, если в данный момент времени доступны все ОЗУ 9,1 ^oC 9,4 и положительные результаты сравнения поступили с четырех блоков обработки данных, то благодаря использованию в качестве коммутаторов соединителей 8 х 4, выходные данные этих блоков обработки могут быть записаны в соответствующие ОЗУ одновременно. Таблица соответствия номеров опрошенных датчиков номерам ОЗУ 9,1 ^oC 9,4 и адресам ячеек этих ОЗУ, содержащая также и другую служебную информацию (например, время измерения) формируется УВК 14 и сохраняется в его оперативном запоминающем устройстве.

По мере накопления информации в ОЗУ 9,1^oC9,4 УВК 14, не прерывая процесса опроса датчиков, управления работой блоков 5,1 ^oC 5,8 и 6,1 ^oC 6,8 обработки данных, коммутаторов 7,1 и 7,2 и ОЗУ 9,1 ^oC 9,4, осуществляет передачу накопленной информации из ОЗУ 9,1 ^oC 9,4 в буферные запоминающие устройства 10,1 ^oC 10,2. Результаты измерений записываются в БЗУ 10,1 и 10,2 в упорядоченном виде, т.е. формируются страницы памяти, содержащие блоки данных, соответствующих либо номеру одного или нескольких датчиков, либо времени измерения и т.п. Для выполнения этих процедур используются данные хранящихся в УВК 14 таблиц соответствия. Возможность работы одного из БЗУ с тем ОЗУ, из которого поступает считанная информация, обеспечивается переводом выходных цепей соответствующих выходных регистров незадействованных в данный момент ОЗУ в высокоимпедансное состояние. При этом возможно одновременное считывание информации из двух ОЗУ и ее передача в соответствующие БЗУ.

В процессе выполнения процедуры формирования в БЗУ 10,1 и 10,2 массивов упорядоченных данных УВК 14 также формирует и сохраняет в своем оперативном запоминающем устройстве соответствующую служебную информацию в виде таблиц соответствия номера БЗУ и адресов его ячеек номеру датчика, времени измерения и т.п.

После завершения формирования в каком-либо из БЗУ 10,1 и 10,2 очередного упорядоченного массива данных, т.е. после заполнения очередной страницы памяти, этот массив может быть передан по линии связи.

Для этого УВК 14 формирует соответствующую управляющую и служебную информацию и передает ее в канал 13 ввода-вывода. На шестом периферийном выходе канала 13 ввода-вывода, подключенном к адресно-управляющим входам БЗУ 10,1 и 10,2, выставляются сигналы, разрешающие работу соответствующего БЗУ в режиме чтения данных и выдачу считываемой информации на одном (или двух) его выходах. На седьмом периферийном выходе канала 13 ввода-вывода, связанном с информационно-управляющими входами формирователей 11,1 и 11,2 передаваемой информации, выставляются сигналы разрешения работы одного или двух формирователей и необходимая служебная информация, входящая в подлежащие формированию сообщения. На восьмом периферийном выходе канала 13 ввода-вывода появляются сигналы разрешения работы задействуемых узлов 12,1, 12,2 передачи данных.

Вслед за этим УВМ 14 через канал 13 ввода-вывода организует поочередное считывание ячеек задействованного БЗУ, хранящих элементы передаваемого массива измерительной информации, прием считанной информации в требуемый формирователь передаваемой информации по его информационному входу и прием служебной информации по его информационно-управляющему входу, управление формированием сообщений в этом формирователе и управление передачей сформированных сообщений в линию связи через задействованный узел передачи данных.

В зависимости от программы обслуживания данное устройство позволяет также осуществлять параллельную передачу сформированного массива данных по двум каналам связи.

Положительным свойством устройства является также возможность программного отключения любого из блоков и узлов, хранящих и передающих измерительную информацию, прошедшую экспресс-обработку, в случае возникновения неисправности. При этом не происходит нарушения работоспособности устройства, обеспечивающего и в этом случае накопление и пакетную передачу в линию связи достоверной, малоизбыточной и сгруппированной по определенным признакам измерительной информации о параметрах исследуемой физической среды.