Устройство связи с объектом — интерфейс УСО в ЭВМ¶
Устройство связи с объектом (УСО) — совокупность аппаратных и программных средств электронной вычислительной машины (ЭВМ), обеспечивающая обмен данными между центральным процессором и внешними техническими объектами (датчиками, исполнительными механизмами, технологическим оборудованием). УСО является обязательным компонентом автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), систем сбора данных и систем реального времени.
¶Назначение и функции
Основное назначение УСО — преобразование сигналов внешней среды в форму, пригодную для обработки процессором, и обратное преобразование управляющих сигналов в воздействия на объект. В отличие от стандартных периферийных устройств (клавиатура, монитор), ориентированных на взаимодействие с человеком, УСО работает непосредственно с электрическими, механическими, тепловыми и другими физическими величинами.
Ключевые функции УСО:
- сбор аналоговых и дискретных сигналов с датчиков;
- первичная фильтрация, усиление и нормализация сигналов;
- аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование;
- гальваническая развязка цепей объекта и ЭВМ;
- формирование управляющих воздействий на исполнительные механизмы;
- временная синхронизация и приоритетная обработка сигналов.
¶Структура и состав
Типовое УСО включает несколько функциональных блоков. Блок ввода аналоговых сигналов (БВАС) принимает непрерывные сигналы от датчиков температуры, давления, расхода и преобразует их в цифровой код. Блок вывода аналоговых сигналов (БВСА) формирует непрерывные управляющие напряжения или токи для регулирующих органов. Блок ввода дискретных сигналов (БВДС) фиксирует состояние контактов реле, конечных выключателей, кнопок. Блок вывода дискретных сигналов (БВДС) коммутирует цепи питания исполнительных устройств (электродвигателей, клапанов, ламп).
Связь УСО с центральным процессором осуществляется через системную шину ЭВМ (например, ISA, PCI, CompactPCI) либо через последовательные интерфейсы (RS-232, RS-485, USB, Ethernet). В современных системах УСО часто выполняется в виде отдельных модулей, устанавливаемых в крейт (каркас) с общим контроллером, или в виде распределённых контроллеров, размещаемых вблизи объекта.
¶Классификация
По типу обрабатываемых сигналов УСО делятся на аналоговые, дискретные и импульсные. По конструктивному исполнению различают встраиваемые платы, внешние модули и распределённые системы. По способу обмена данными выделяют УСО с программным опросом (polling) и УСО с прерываниями. Отдельную категорию составляют интеллектуальные УСО, имеющие собственный микроконтроллер и выполняющие предварительную обработку данных (масштабирование, линеаризацию, самодиагностику).
¶Программное обеспечение
Работа УСО обеспечивается драйверами и библиотеками функций, которые предоставляют прикладному программисту унифицированный интерфейс доступа к каналам ввода-вывода. В состав программного обеспечения входят: драйвер устройства, библиотека поддержки языков программирования (C, C++, Pascal), а также конфигурационные утилиты для настройки адресов, диапазонов сигналов и частоты опроса. В операционных системах реального времени (QNX, VxWorks, Linux с патчами реального времени) УСО взаимодействует с процессором через механизмы прямого доступа к памяти (DMA) и обработчики прерываний.
¶Применение
УСО применяются в промышленной автоматике, на энергетических объектах, в системах управления движением, в научных экспериментах и медицинской технике. Например, в системах управления котлоагрегатами УСО собирает сигналы с датчиков температуры пара, давления топлива и уровня воды, а затем формирует команды на регулирующие клапаны и задвижки. В авиационной и ракетной технике УСО обеспечивает связь бортовой ЭВМ с датчиками перегрузок, высоты и органами управления.
¶Развитие
С развитием микропроцессорной техники УСО эволюционировало от простых плат ввода-вывода к программируемым логическим контроллерам (ПЛК) и распределённым системам управления. Современные УСО поддерживают протоколы промышленных сетей (Modbus, Profibus, CANopen, EtherCAT), обладают функциями самодиагностики и «горячей» замены модулей. Перспективным направлением является использование беспроводных интерфейсов и встраивание УСО непосредственно в исполнительные устройства (так называемый «интеллектуальный привод»).
¶Источники
- Цимбалюк В. С. «Устройства связи с объектом в системах автоматизации». — М.: Энергоатомиздат, 1987.
- Гук М. «Аппаратные средства IBM PC». — СПб.: Питер, 2005.
- ГОСТ 34.003-90 «Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Термины и определения».