NICOLAE PARASCHIV ACHIZIIA I PRELUCRAREA DATELOR UNIVERSITATEA PETROL GAZE DIN PLOIETI 2008 Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 11 . 1.1.Funciile automatizrii proceselor Dupcumsecunoate,prinprocessenelegeosuccesiunede transformricecaracterizeazdiverseobiectesaufenomenenevoluialor spaio-temporal.Oimportanaparteprezintproceseletehnologice caracterizatepelngtransferurimasiceienergeticeidetransferuri informaionale. Unuiprocesisuntderegulasociatetreicategoriideobiectivei anume -obiective de calitate; -obiective de eficien; -obiective de securitate. Acesteobiectivesuntderegulformulateprinspecificaiiasociate produselorsauserviciilorrezultate,mrimeabeneficiilorrezultatecaurmarea valorificriiacestora,normeprotecieafactoruluiuman,mediuluii infrastructurii procesului. Conducereancadreazactivitatededirijareaevoluieiprocesuluin vederearealizriiobiectivelorimpuse.Dupcumfactorulumanesteimplicat sau nu conducerea poate fi manual sau automat. Conducerea presupune existena unui mijloc de conducere (MC), care s aplicecomenziobiectuluicondus(OC)respectivprocesului.Ansamblulcelor dou entiti ncadreaz un sistem de conducere (SC). Dacprocesulseaflnumaisubinfluenacomenzilor,estesuficient determinareacomenzilorinndcontnumaideobiective.Dupcumseobserv din figura 1.1 sistemul de conducere este deschis , mijlocul de conducere nefiind informat n legtur cu rezultatul aciunilor sale. P Pr ro ob bl le em ma at ti ic ca a s si is st te em me el lo or r d de e a ac ch hi iz zi i i ie e i i p pr re el lu uc cr ra ar re e a a d da at te el lo or rC CA AP PI IT TO OL LU UL L 11 Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 12 ExistenaunorperturbaiicareacioneazasupraOCindependentde comenzideterminndeprtarearezultatelordelaobiective,situaiecarenu poate fi rezolvat prin intermediul structurii din figura 1.1. n consecin se impune luarea n consideraie la elaborarea comenzilor i a altor elemente n afara obiectivelor.Dacladeterminareacomenzilorpelngobiectivesuntavutenvedere irezultateleseobinestructurailustratnfigura1.2,ncareconducereaeste corectiv. Caracterulcorectivestedatdefaptulcprinaciuneacomenzilor rezultatelesuntcorectatensensulcsuntreaduselanivelulobiectivelor.n acest sens se stabilete o legtur informaional de la rezultate la MC, legtur cares-aimpussubdenumireadefeedback.Existenaacesteilegturi informaionalefacecaSCcuaciunecorectivsfiecustructurnchisn raport cu rezultatele. Este important de subliniat faptul c rezultatele sunt restabilite indiferent de cauza care a determinat alterarea lor. Exist ns i un incovenient al aciunii preventive determinat de faptul c exist intervale de timp n care rezultatele nu sunt n concordan cuobiectiveleIncovenientulidentificatlaSCcuaciunecorectivesteeliminatdacla elaborareacomenzilor,pelngobiectivesuntavutenvedereiopartedin perturbaii.Seobinestructuradinfigura1.3,ncareseconstatexistenaunei legturiinformaionaledelaperturbaiilaMC,legturcunoscutsub denumirea de feedforward.Fig. 1.1. Sistem de conducere deschis: MC mijloc de conducere; OC obiect condus (proces).MCOCObiectiveRezultate ComenziFig. 1.2. Sistem de conducere cu aciune dup efect.MCOCObiectiveRezultate ComenziPerturbaiiFeedback Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 13 Launasemeneasistemcomenzilesuntastfeldeterminatenctla modificareaacelorperturbaiicaresuntluatenconsiderare,rezultatelenuse abatdelaobiective.Aciuneapreventivarenvederefaptulcseprevine apariia unui efect reprezentat de ndeprtarea rezultatelor de la obiective. DacnssemodificoperturbaiecarenuesteconsideratdeMC rezultatelenumaisuntconformecuobiectivele,iaracestefectnumaipoatefi ndeprtat, ntruct SC este cu structur deschis n raport cu rezultatele.Dezavantajele celor dou tipuri de aciune sunt pariale eliminate, dac se utilizeaz un SC cu aciune mixt dup efect i dup cauz. Sistemulacioneazdupcauz(respectivpreventiv)lamodificarea perturbaiiloraccesibileSC.Lamodificareaaltorperturbaiiaciuneaestedup efect (respectiv corectiv). ncontextulconduceriiautomatepotfiidentificatepatrucategoriide sisteme automate care permit realizarea urmtoarelor funcii: -monitorizarea automat; -reglarea automat; -protecia automat; -optimizarea automat. Fig. 1.3. Sistem de conducere cu aciune dup cauz.MCOCObiectiveRezultate ComenziPerturbaiiFeedforwardFig. 1.4. Sistem de conducere cu aciune dup efect i dup cauz.MCOCObiectiveRezultate ComenziPerturbaiiFeedback FeedforwardAchiziia i prelucrarea datelor Capitolul 14Estedemenionatfaptulcpentruprimeletreifuciiaparconstrngeri severedenaturtemporal.ncontinuarevorfiexpuseconsideraiisuccinte privind fiecare categorie de sistem automat 1.1.1.Monitorizarea automat Conceptuldemonitorizareestelegatnemijlocitdecunoatereastrii momentane i a evoluiei parametrilor afereni unui proces.Date privind valorile parametrilor se pot obine prin msurare i/sau prin calcul.Esteimportantdesubliniatfaptulcnumrulminimdesistemede msurat este egal cu numrul gradelor de libertate ale procesului, respectiv M L F ,(1.1) unde: L este numrul total de variabile specifice procesului; M numrul de relaii independente dintre cele L variabile; F numrul gradelor de libertate. PentruceleFvariabilecaretrebuiemsurateseimpuneexistenacte unui sistem de msurat la distan n structura cruia intr urmtoarele elemente: -traductor; -mediu (linie) de transmisie; -instrument de vizualizare. Traductoarelepotaveaieirisubformaunuicodnumeric,cazncare practic adaptoarele aferente acestora conine un microcontrollere cu convertoare analog-numerice(CAN)ncorporate.Suntncrspnditetraductoarelecu semnal de ieire analogic n domeniu unificat (uzual 420 mA). Liniiletetransmisiepentrusemnaleanalogicesuntrealizaten exclusivitatedinconductoaremetalice.ncazultraductoarelornumerice(smart transducers),acesteasuntconectatenreelencaretransmisiapoateficusau fr fir (wireless). n ceea ce privete instrumentele de vizualizare (IV) acestea pot fi reale sauvirtuale.Instrumentelerealeseprezintsubformaindicatoarelori nregistratoarelor digitale. Instrumentele virtuale prezint practic utilizatorului o interfagraficpemonitorulunuicalculator,undevalorileparametrilorsunt prezentate pe diferite tipuri de indicatoareprogramate.Duprelaiacareexistntrenumruldeparametricaresemsoari numruldeinstrumentedevizualizares-auimpusurmtoarelestructuride monitorizare: -structuratotaldistribuit,ncareexistcteunIVpentrufiecare parametru; -structura total concentrat, n care exist un IV pentru toiparametrii; Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 15-structuraparialdistribuit,ncareexistcteunIVpentrufiecare grup de parametri (se consider c un grup de parametri este asociat unui subproces). 1.1.2.Reglarea automat Reglareaautomatpresupuneatingereaimeninereauneistride referinpentruprocesfrintervenianemijlocitafactoruluiuman.Din punctuldevederealcomplexitiiexistdoutipuridesistemedereglare automat (SRA) i anume: -SRA cu structur convenional; -SRA cu structur evoluat. SRAcustructurconvenionalau,deregul,caobiectivmeninerea strii de referin pentru un singur parametru. n aceast categorie pot fi incluseSRA cu aciune dup abatere (efect) i SRA cu aciune dup perturbaie (cauz), consideratetipurifundamentaledeSRAspecificeniveluluiautomatizrii convenionale. PentruasigurareafuncionalitiiunasemeneaSRAconinepelng procesundispozitivdeautomatizare(DA)cruiaisuntspecificetreifunciii anume: -funcia de msurare; -funcia de comand; -funcia de execuie. Pentru realizarea celor trei funcii n structura DA sunt incluse n ordinea funciilortraductoare,regulatoareelementedeexecuie.Esteimportantde subliniat faptul c regulatorul elaboreaz i transmite comanda deci ndeplinete rolul mijlocului de conducere din structura unui sistem de conducere. n figura 1.5suntreprezentateschemeblocaleSRAabatereiperturbaiencareeste evideniat dispozitivul de automatizare. Fig. 1.5. Schema bloc simplificat de structur a unui SRA:a abatere; b perturbaie; DA - dispozitiv de automatizare; Pr - proces. PrDA i yP ma IDA y Pm..rk r1p1pkpnPr b Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 16OaltstructurareidentificlanivelulunuiSRAopartefixatiuna variabil.Parteafixatpotrivitreprezentriidinfigura1.6esteconstituitdin proces,traductor(oare)ielementdeexecuie,ntimpceparteavariabileste reprezentat de regulator.

Esteimportantdesubliniatcdinpunctuldevederealechipamentelor numerice de conducere traductoarele i elementele de execuie sunt considerate echipamente periferice de proces. Aceast ncadrare are n vedere faptul c prin intermediultraductoarelorprocesulifacecunoscutstarea,ntimpce elementeledeexecuieimplementeaznprocescomenzileelaboratede echipamentul numeric.SRAcustructurevoluat(reglareavansat)auasociateobiective specificentreguluiproces(instalaii).ncazulreglriiavansate,mrimile reglatesuntadeseareprezentatedeparametrisinteticialecrorvalorise determinprincalcul.Prezenareglriiavansatenuexcludereglarea convenional,celedoucategoriicoexistndncadrulsistemelorierarhicede conducere.Fig. 1.6. SRAcu evidenierea prilor fixat i variabil:SRA abatere; SRA perturbaie. Parte fixat Parte variabil C EEProcesT Parametri de acordare r ui r Perturbaii a Parte fixat Parte variabil CEEProces y u I Perturbaii T bAchiziia i prelucrarea datelor Capitolul 17n figura 1.7 se prezint structura unui sistem ierarhic organizat pe dou niveluri, n care la nivelul inferior se realizeaz reglarea convenional iar la cel superior,reglareaavansat.Comenzileelaboratelanivelulinferiorsebazeaz att pe mrimile preluate din proces, ct i pe mrimile de coordonare primite de lanivelulsuperior.Acestemrimisuntgenerateavndu-sepedeoparten vedereobiectivelepropriialeniveluluicoordonator,iarpedealtareaciile informaionale de la primul nivel. Sistemul cu structura reprezentat n figura 1.7 este un sistem ierarhizat pe vertical i distribuit pe orizontal. Acest tip de structurare creeaz premisele realizriisistemelorinformaticeintegratecuposibilitideprelucrareunitar att a informaiei de natur tehnic ct i a celei de natur economic. 1.1.3.Protecia automat Sistemeledeprotecieautomat(SPA)asigurrealizareaobiectivelor legatedesecuritate.Seaunvedereconsiderentelegatedeproteciafactorului uman, a mediului ambiant i a utilajelor implicate n desfurarea procesului. nmoduzualfunciileunuiSPApotfidivizatendoucategorii importante i anume: -funcii de informare; -funcii de intervenie. Funciiledeinformaresuntasiguratedectresistemeleautomatede avertizareiarceledeinterveniedectresistemeleautomatedeblocarei comand.Fig. 1.7. Structura unui sistem de conducere ierarhizat: SCS - sistem de conducere superior; SCI - sistem de conducere inferior; SP - subprocese; r - reacii dela subprocese; p - perturbaii; m mrimi de execuie;z - reacii informaionale; v-mrimi de coordonare; - vector al obiectivelor pentru nivelul superior; - vector al mrimilor de informare de lanivelul superior. SCSSCInSCI2SCI1 v1v2vnznz2z1 mnrnpnm2r2p2m1r1p1 SPn SP2SP1 Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 18Sistemeleautomatedeavertizare(SAA)informeazpersonalulde operarenlegturcustareamomentanaunuiutilajsaucuproducereaunui eveniment. Aceste sisteme sunt cu structur deschis, dup cum se observ din figura 1.8. Funciedesituaiasemnalatavertizareapoatefi:depoziie,de preveniresaudeavarie.Avertizareadepoziienudeterminoanumeaciune dinparteaoperatoruluintructinformeaznlegturcustareadefuncionare saunuaunuiutilaj.Avertizareadeprevenirevatrebuisprovoaceo intervenie,pentruaseprentmpinaproducereauneiavarii.Altreileatipde avertizare este legat de producerea unui eveniment care a cauzat o avarie. Sistemeleautomatedeblocare(SAB)suntcustructurnchisi determinscoatereadinfunciuneaunuiutilajsauseciunedininstalaie, ntruct nu s-a intervenit dup avertizarea de prevenire. Este de remarcat faptul cSABacioneaz numai lascoaterea din funciune, nu i la repornire. Sistemeleautomatedecomand(SAC)suntcomponentealeSPAcare asigurpornireacondiionataunorutilaje.Condiionareaporniriiconstn testareandepliniriiunorcondiiintr-osuccesiunetemporalimpus,care preceddeexemplucuplareaalimentriicuenergieautilajuluirespectiv.Totla nivelul SAC se asiguroprirea normal a unui utilaj (nu n condiii de avarie). 1.1.4.Optimizarea automat Conducerea optimal reprezint implic, de regul, aplicarea ctre proces a acelor comenzi care extremizeaz o funcie de performan.Este important de subliniatcniveluldeoptimizaresesitueazderegullaunnivelsuperior Fig. 1.8. Structura unui sistem de avertizare (SAA) : BLC - bloc logic de comand; EAA element acionare avertizoare; AO - avertizor optic; AA - avertizor acustic. BLC Parametri din proces m uP1limEAAAA AO P1 T1TkTn PkPn Pklim Pnlim Limite de avertizare Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 19reglrii convenionale. plicarea ctre un caz particular al conducerii prin fixarea mrimilordereferin,elaborareareferinelorfcndu-senacestcaznurma extremizrii unei funcii de performan. n capitolul 5 al prezentei lucrri va fi prezentat implementarea unui sistem de conducere optimal. 1.2.Tipuri de aplicaii n timp real Timpulreal(TR)reprezintonoiuneutilizatpentrucaracterizarea operaiilordintr-unsistemdeconducerecaresedesfoarnsincronismcu evenimentelelumiiexterioare.Unsistemdeconducereprezintcomportaren timprealdacdeciziileelaboratedeacestasuntemiselamomentuloportun, respectivsuntaplicateprocesuluinaintecadatelepebazacroraaufost determinate aceste comenzi s-i piard valabilitatea. n aceste condiii timpul reprezint o resurs esenial i n acelai timp critic pentru echipamentele numerice implicate n conducerea proceselor. Este o resurs deoarece toate mrimile aferente unui proces sunt dependente de timp. Resursatimpestecriticdeoarecetrebuiesexisteostrnscorelaientre timpul procesului i cel al sistemului de conducere.Timpulrealesteconcretizatntimpuldereaciesauderspunsal sistemului la anumite modificri din proces sau la comenzi ale operatorului. Se poateaadarstabiliolegturdirectntreineriaprocesuluiicomportarean timp real. n ultim instan comportarea n TR este determinat de frecvena cu caresuntpreluatedateledinprocesicucaresunttransmisecomenzilectre acesta.nacestsensestecunoscutteoremaluiSchanoncarestabiletec pentru a nu se pierde informaie, frecvena de eantionare trebuie s fie cel puin dublul frecvenei semnalului care se achiziioneaz.Avnd n vederecorelaia TR inerie se poate spune c timpul real nu areovaloareuniversalciestespecificfiecruiproces.Dinacestmotivo denumire alternativ pentru noiunea de timp real este cea de timp util.ncontinuarevorfiprezentatedoutipurideaplicaiintimpreali anume aplicaii de conducerei aplicaii tranzacionale. Aplicaiiledeconduceresereferlaelaborareaitransmitereade comenzi ctre un proces. Pentruexemplificarenfigura1.9seprezintstructurauneiastfelde aplicaii, care permite realizarea urmtoarelor funcii: -achiziii de date; -procesarea datelor achiziionate; -actualizarea bazei de date de proces; -elaborarea comenzilor; Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 110-procesareacomenzilornvedereatransmiteriictreelementelede execuie; -generarea de rapoarte. Dinanalizafigurii1.9seobservcsistemuldeinterfasesitueazla limitasistemuluideconducerentimpreal,ntimpcetraductoarelei elementele de execuie se afl la limita procesului. Aplicaiiletranzacionalepresupunrezolvareaunorsolicitripe careutilizatoriileadreseazsistemuluidetimpreal.Acestesolicitrisunt cunoscutesubdenumireadetranzacii.Rezolvareatranzaciilorimplic existenaunoraplicaiidetratare,carepotfaceapelladiversecategoriide resurse.ncadrulacestortipurideaplicaiipotfienumerateceledindomeniul bancar, comerul on-line, rezervarea de locuri, servicii n cadrul bibliotecilor etc. COP BGR BDP ABDPMECProcesare DateCTRProcesare Comenzi SIASEA Fig. 1.9. Structura unui sistem de conducere n timp real: BDP-baza de date de proces; BGR-bloc generare rapoarte; ABDP-modul actualizareBDP; MEC modul elaborare copmenzi ;COP-consola operator; CTR ceas de timp real; SIA subsistem intrri analogice; SEA subsistem ieiri analogice; TA- traductoare analogice; EEA - Elemente de execuie analogice; EEN Elemente de execuie numerice. TA EEA PROCESEEN SEN Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 111Pentruexemplificarenfigura1.10,seprezintstructuraunuisistem tranzacional, unde tranzaciile sunt introduse de la un terminal. Dupcumseobservdinfigura1.10sistemultranzacionalimplic utilizareaunuinumrdenterminaledelacarediveriutilizatoripotintroduce diferitemesajepredefinitecafunciiisemnificaiidenumitetranzacii. Tranzaciiledeterminprelucrrialcrorrezultattrebuiepusladispoziia utilizatorilor n timp real. 1.3.Trsturispecificealesistemelordeoperarentimp real Larealizareaiexecuiauneiaplicaiidetimprealsuntimplicatetrei categorii de resurse software (sisteme de programe) i anume:-programe de sistem; -programe aplicative; -programe utilitare sau de serviciu. Programeledesistemcunoscutecasoftwaredebazasigur urmtoarele funcii importante: MGTT1 T2 Tn MMTMACUMAT1 SGBDBDSTFig. 1.10. Structura unui sistem de tranzacionare n timp real: BDST-baza de date a sistemului tranzacional ; T1Tn terminale; MGT modul gestiune terminale; MMT- modul monitorizare tranzacii; MACU modul analiz comenzi utilizatori; MAT1MATn ; SGBD sistem de gestiune a bazei de date; BDST baz de date a sistemului tranzacional. MATk MATn Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 112-servicii comune pentru programe aplicative; -planificare i coordonarea programelor aplicative. ncategoriaserviciilorcomunesuntderegulincluseurmtoarele categorii de servicii: -alocarea unitii centrale de procesare; -alocarea memoriei; -alocarea echipamentelor de intrare-ieire; -tratarea ntreruperilor. Dupcumsevaartantru-nsistemdetimprealaplicaiile(taskurile) suntntr-opermanentcompetiiepentrudeinerearesurselorsistemului. Componentealesoftware-uluidebaztrebuiesasigurealocareapebazaunor criteriistabilitearesurselorimportantealeechipamentuluinumericrespectiv: timpul unitii centrale de prelucrare i spaiile memoriei i de intrare-ieire.nceeaceprivetetratareantreruperilor,acestmecanismareo importandeosebitpentrusistemeledetimprealntructsistemulde ntrerupericonstituiealturideceasuldetimprealunsuportputernical prelucrrii n timp real.Programeleaplicativerealizeazprelucrriledoritedeutilizator. Acesteprogrameaplicativetrebuiessencadrezenclasaaplicaiilordetimp real,nsensulcelorprezentateanterior(adicsfiedeconducerentimpreal sau tranzacionale n timp real). Programeleutilitaresuntcelecareasistprogramatorulla dezvoltareaiimplementareaprogrameloraplicative.naceastcategorieintr printrealtele:mediilededezvoltare,diagnosticareidepanare,generatoarele de cod i de rapoarte etc. Ceamaiimportantcomponentaresurselorsoftwaredebazeste reprezentatde(SO).nmodobinuituSOaredoufunciiimportantei anume:-gestionarea resurselor sistemului de calcul; -realizarea unei interfee de dialog cu utilizatorul. Specificul Sistemelor de Operare n Timp Real (SOTR) rezult din faptul c exist programe care s fie executate condiionat de unul dintre factorii timp i/sau evenimente externe.Avndnvedereacestecondiionriposibile,rezultclaunmoment datnmemoriasistemuluipotexistamaimulteaplicaiiaflatendiversestadii sau stri. Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 113ncontextulprelucrriintimprealunitateafuncionalelementarde program, independent din punct de vedere logic se numete task. PrincipalacomponentaunuiSOTResteplanificatorul1careasigur secvenierea corect a evoluiei taskurilor. n mod obinuit la nivelul unui SOTR exist dou niveluri de planificare a execuiei taskurilor i anume: -planificarea pe condiii de timp2; -planificarea pe condiii de evenimente3. Satisfacereacerinelordeprelucrarentimpreallaachiziiadatelordin procesilatransmitereacomenzilorctreacesta,impuneoprelucrareparalel saucelpuinpseudoparalelataskurilor.Estecunoscutfaptulcoprelucrare purparalelimplicexecuiasimultanamaimultorinstruciuni,execuie posibilnsistemelecumaimulteuniticentraledeprelucrare(UCP).La sistemelecuosingurUCPprelucrareaestepseudoparalel,fiecaretask deinnd controlul UCP un anumit interval de timp. UnSOTRcapabilsasigureoexecuieparalelsucelpuin pseudoparalelataskurilorsenumeteSistemdeOperarenTimpReal Multitasking SOTRM..Peparcursulexecuieilortaskurilepotactivaprocedurisaurutinecare pot fi de trei categorii i anume: dedicate, comune, reentrante. Rutinele dedicate pot fi utilizate de ctre un singur task.Rutinele comune pot fi activate din mai multe taskuri, ns succesiv. Cu alte cuvinte, rutina poate apelat de un nou task, numai dup ce execui sa n precedentul task a fost ncheiat. Rutinelereentrantepotfiactivatesimultandinmaimultetaskuri, cu alte cuvinte se pot autontrerupe. CndsevorbetedefunciadegestiuneaSOTRMseaunvedere urmtoarele tipuri de gestiune: -gestionarea timpului UCP, -gestionarea alocrii spaiului de memorie intern; -gestionareechipamentrlorperifericeaferentespaiuluideintrare-ieire. Gestionarea timpului UCP. Dup cum se cunoate UCP asigur n totalitatedisponibilitiledecalculidecomandaleunuisistemdecalcul. Taskurileexistentelaunmomentdatnmemoriainternidisputdreptulde utilizaUCP.TaskurileaptedeapreluacontrolulUCPsuntdispusedectre 1 Engl. -scheduler 2 Engl. time driven 3 Engl. event drivenAchiziia i prelucrarea datelor Capitolul 114planificatorntr-ocoaddeateptare,carepoatefiorganizatfunciede prioriti4, sau n ordinea sosirii. n mod curent SOTRM preia controlul UCP n urmtoarele situaii: -apariiaunuievenimentextern(deexempluntreruperidinpartea procesului sau a operatorului); -apariiaunuievenimentintern(cumarfiontrerupereasociatunei operaii de intrare-ieire); -o ntrerupere de la ceasul de timp real; -apelareadectretaskulaflatnexecuieauneifunciirealizatede ctre SOTRM; -trecerea unui anumit interval de timp. LapreluareacontroluluiUCP,SOTRMvantrerupetaskulaflatn execuie la acel moment i va adopta una dintre urmtoarele decizii: -va relua execuia taskului ntrerupt; -va aduce n execuie taskul cu prioritatea cea mai ridicat din coada de ateptare; -vaaducenexecuietaskulcutimpuldeateptarecelmairidicatdin coada de ateptare. ncazulncaremaimultetaskuripotaveaaceeaiprioritate,alocarea UCPse poate realiza potrivit urmtoarelor strategii: -primul intrat primul ieit5 , conform creia taskurile cu prioritate egal intr n execuie n ordinea sosirii; -timp divizat6, conform creia fiecrui task i se aloc o cuant de timp n care deine controlul UCP. UneleSOTRMaufacilitateaexecuieincrizdetimp,carepresupune cretereaautomataprioritii,ncondiiilencarerespectivultasknuafost executat un interval de timp superior unuia specificat. Gestionareamemorieiinterne.Existenauneizonencaresfie organizatstivaproprieesteocondiieabsolutnecesarpentrucauntasks poat prelua controlul UCP. Pentru un SOTRM pot fi identificate patru strategii de alocare a memoriei care vor fi succint analizate n continuare. Strategiancrcriinzonefixealememorieipresupuneclaun moment dat n memoria intern a calculatorului se gsete la un moment dat un 4 Fiecrui task i se atribuie contextul timpului real un indicator de urgen sau importan n execuie care se numete prioritate. Aceste poate fi un atribut fix, care s rmn nemodificat pe durata existenei taskului, sau variabil (care se poate schimba pe parcurs vezi funcia RTK SetTaskPriority)5 FIFO First Input First Output 6 Engl time sharing Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 115singurtask.Pentruaseputearealizaexecuiafunciedepriorititaskurile trebuiesfientreruptibileitransferabile.Acesteatributepresupunctoate taskurile care nu sunt n execuie nu sunt rezidente n memoria intern.Avantajul acestei strategii const n faptul c taskul aflat n execuie are ladispoziientregulspaiualmemorieiinterne.Preulpltitpentruacest avantajestereprezentatdetimpulconsumatcutransferurile,astfelncttimul consumat cu tranziiile ntre stri crete. O variant mbuntit a acestei metode const n asigurarea rezidenei permanentenmemoriainternataskurilorcritice,respectivataskurilor nentreruptibile i a celor care impun timpi de tranziie foarte scuri. Strategiaoverlay(suprapunereinlnuire)presupunecauntask rezident la un moment dat n memoria intern s dirijeze ncrcarea n memorie a altor taskuri. Strategiaplanificatoruluipresupunetransferulgestionriimemoriei interne ctre taskul aflat n execuie, respectiv ctre taskul care deine controlul UCP. Strategiacoexisteneicarepresupunerezidenalaunmomentdatn memoriainternamaimultortaskuri,comutareafcndu-senregimde multiprogramare7. Gestionareaoperaiilordeintrareieire.AlturideUCPi memoriaintern,spaiuldeintrareieireconstituieoaltintpentru concurenadintretaskuri.Dinacestmotivaccesullaperifericeestecontrolat, reglementareaacestuiaccesaparinndSOTRM.Pentrugestionareaoperaiilor de intrare ieire sistemele de operare pot pune la dispoziie drivere i rutine de intrare- ieire. DriverelesuntmodulecomponentealeSOTRMcaredirijeaz dispozitivele periferice fizice, reacionnd la ntreruperi pentru transferul datelor i semnalnd rutinelor de intrare-ieire ncheierea operaiei de transfer. Rutineledeintrare-ieireinterfaeazdispozitiveleimplicatecu programeledeaplicaie(taskuri),realizndprincipialurmtoarelefuncii importante: -semnalarea strii perifericului (liber sau ocupat); -transmitereacererilordeintrare-ieirectredrivereleechipamentelor care vor fi implicate. La gestionarea operaiilor de intrare-ieire, trebuie avut n vedere faptul c acestea se pot efectua cu sau fr implicarea unui tampon de memorie.Dac 7Multiprogramareapresupuneoexecuientreesutconformcreialaunmomentdatunsingurtaskeste executat, dar mai multe sunt n execuie (respectiv au instruciuni care au fost executate i ateapt continuarea execuiei). Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 116se utilizeaz un asemenea tampon cererea de intrare-ieire este plasat ntr-un ir de ateptare, dup care controlul UCP este dat taskului apelant. n al doilea caz (respectiv la absena unui tampon de memorie) controlul UCP este redat taskului apelant numai dup realizarea operaiei specificate. 1.4.Obiectiveleiprincipiileinginerieiprogramriin timp real IngineriaProgramriinTimpReal(IPTR)ncadreazomulimede concepte,principii,metodeiinstrumentededezvoltareaprogramelor destinate aplicaiilor de timp real. Abordarea n stil ingineresc a activitii de programare este impusatt decomplexitateaaplicaiilor,ctideexigenecareprivesccreterea productivitii acestei activiti. PrincipalamisiuneaIPTRconstnasigurareapremiselorpentru trecereadelaartaprogramriilaindustriaprogramrii.Pentrurealizarea acesteimisiuniIPTRurmreterezolvareaatreicategoriiimportantede probleme i anume: -stabilirea etapelor i n cadrul acestora a fazelor prin care trece produs informatic pe durata existenei sale; -elaborarea unor metode i instrumente asociate (incluse n tehnologii)pentru asistarea elaboratorului n fiecare etap de dezvoltare; -elaborarea pe baze tiinifice a unor metodologii pentru organizarea i coordonareaactivitilorspecificedezvoltriinstilindustriala produselor informatice. Pentrurezolvareaacestortipurideprobleme,IPTRipropune urmtoarele categorii de obiective pentru produsele informatice dezvoltate :-obiective de adaptabilitate; -obiective de eficien; -obiective de fiabilitate; -obiective de perceptibilitare. Adaptabilitateapresupunedezvoltareadefacilitipentru efectuareademodificrintr-omanierstrictcontrolat.Modificrilepotfi determinate de: -adugarea de noi funcii; -ameliorarea performanelor sistemului; -corectarea unor erori de programare. Pentrusistemeledeconducerentimpreal(SCTR)adaptabilitateaeste impus,printrealteledecaracterulevolutivalprocesului,evoluiecarepoate Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 117marcamodificrialeobiectivelor,astrategieideconducereiimplicita programelor asociate. Eficiena este impus de argumente care de regul au n vedere: -minimizarea necesarului de resurse pentru execuia programelor; -minimizarea efortului pentru dezvoltarea programelor; -minimizarea timpului necesar pentru dezvoltarea programelor. Fiabilitateaprogramelorserefer,caincadrulechipamentelor deconducere,ladezvoltareadeaptitudinipentruacesteadendeplinirea sarcinilor,unintervaldetimpprestabilitncondiiidelucruspecificate.Este important de subliniat c n cadrul programelor dimensiunile fiabilitii constau n: -evitarea,depistareainlturareadefectelor,pectposibil,nfazele de proiectare, dezvoltare i implementare a programelor; -existendeinstrumenteiresursepentrunlturareadefectelor,dac acestea se manifest pe parcursul funcionrii programelor. Caincazulechipamentelorfiabilitateanuconstituieunadaoscise dezvolt odat cu sistemul de programe. Perceptibilitateasereferlaaptitudineacaretrebuieconferit programelordeafiuorneleseiurmritedectreunaltprogramatorsau chiar de ctre autor, la un anumit interval dup finalizare8. Pentru realizarea acestor obiective trebuie respectate o serie de principii, ntre care o importan aparte prezint urmtoarele: -principiul modularizrii; -principiul abstractizrii; -principiul localizrii; -principiul uniformitii; -principiul completitudinii; -principiul confirmabilitii; -principiul acoperirii. Principiulmodularizrii.Modularizareareprezintmanierancare trebuiestructuratunprogrampentruaatingemaiuorunanumitscop. Modularizareaconstituieunfactordeterminantpentrusatisfacereaobiectivelor adaptabilitii i fiabilitii.Principiul abstractizrii impune identificarea proprietilor comune unorentitiaparentdiferiteiomitereaunordetaliispecificeneeseniale.De 8 Aceast obiectiv mai este cunoscut i sub denumirea de claritate. Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 118regulntr-ostructurierarhic,fiecarenivelreprezintoabstractizarea nivelelor inferioare, detaliile fiind pstrate pe acestea. Principiullocalizriisereferdispunereanvecintatefizica elementelor cu legturi ntre ele cum ar fi: subrutine, nregistrri fizice i logice, pagini de memorie, etc. Principiuluniformitiipresupuneasigurareaconsistenei,un exemplu n acest sens fiind respectarea notaiilor. Principiulcompletitudiniiarenvedereincludereanconceptele abstracte a tuturor elementelor semnificative.Principiul confirmabilitii afirm necesitatea formulrii explicite a tuturor informaiilor legate de posibilitatea verificrii corectitudinii programelor. Principiulacoperirii,promoveazafirmareaaspecteloresenialen favoarea celor neeseniale, care pot fi transparente pentru utilizator. UnaltaspectspecificIPTRlegatdefazeledinexistenaunuiprogram respectiv:-analiza cerinelor; -elaborarea specificaiilor; -proiectarea sistemului de programe; -codificarea n program; -instalarea i testarea programelor; -ntreinerea programelor. Analizacerineloresteoetapncarebeneficiarulcolaboreaz strnscuechipadeanalitidinparteaelaboratoruluiprodusuluiinformatic,n vedereaidentificriiparticularitilorproblemeicareurmeazaserezolva.Aceastetapsefinalizeazcutemadeproiectarencaresuntformulate cerinele i restriciile aplicaiei. Elaborareaspecificaiilorpresupuneformulareaunuisetde specificaii care includ resursele funcionale i restriciile de operare.Proiectareasistemuluideprogramereprezintoetapncarese stabilesc:-structura pe module funcionale a programelor; -relaiile ntre modulele componente i modalitile de comunicare; -datele de intrare i rezultatele pentru fiecare modul; -algoritmii care vor fi utilizai pentru implementarea cerinelor din tema de proiectare. Achiziia i prelucrarea datelor Capitolul 119Codificareapresupunegenerareaprogramelorpentrumodulele definite n etapa de proiectare i rularea lor pe un calculator gazd. Instalareaitestareaprogramelorarenvederetransferul programelorpemainaundeaplicaiaurmeazafiexecutat.Respectivpe calculatorulint.naceastetapmaipotficorectateeventualeeroride programare care nu au putut fi depistate n fazele anterioare. ntreinerea programelor presupune eventuale corecii impuse fie de neconcordane n raport cu tema de proiectare, fie de reveniri ale beneficiarului.Fiecaredintreetapeleanterioareconinecteosecvendevalidare, promovarea la etapa urmtoare fiind condiionat de validarea celei precedente. Dup cum se observ din figura 1.11, n care sunt evideniate aceste etape, etapa dentreinereconineovalidarecarearenvedereoanumeactivitatespecific acestei etape. AnalizValidareNu Da SpecificaiiValidare Nu DaProiectare ValidareNu DaInstalare - testare Validare Nu Da Codificare Validare Nu Da Da ntreinere Validare NuDaExpirare contract intreinereStart dezvoltare aplicaie Fig. 1.11. Procesul iterativ asociat etapelor din existena unui produs informatic.Nuncheiere dezvoltare aplicaie DaAchiziia i prelucrarea datelor Capitolul 120Peparcursulderulriietapelordemaisusrepartiiaaproximativa costurilor este urmtoarea: -analiz, elaborare specificaii, proiectare - 40 % din costuri; -codificare - 20 % din costuri; -instalare i testare- 40 % din costuri. Costurileoperaiilordentreinerelepotdepipeceledeelaborare. Evident acestea sunt suportate de elaborator (dac se constat erori ale acestuia) sau de ctre beneficiar (n cazul unor reveniri). Peparcursuldiverseloretape,suntimplicai,nordine;urmtoarele categorii specialiti n tehnologia informaiei:-analiti; -proiectani; -programatori; -implementatori. Coordonareadezvoltriiiimplementriiprodusuluiinformaticeste asigurat de ctre un manager de proiect. Achiziia i prelucrarea datelor 21 Dup cum s-a artatn capitolul precedent un echipament numeric (EN) decalculproceseazdatelentr-oformspecificacestuiaioferrezultatele ntr-oformaccesibilutilizatorului.Acestmoddefuncionarepresupune existenanstructuraENauneidiviziunicapabilesrezolvecomunicareacu mediul exterior reprezentat de utilizatori. Obiectulprezentuluicapitollconstituieprezentareafuncionala dispozitivelordestinateschimbuluideinformaiicuprocesultehnologic reprezentat de traductoare i elemente de execuie. 2.1. Transferuri de date n echipamente numerice Dinpunctdevederestructuralfrontieradintrediviziuniledecalcul, comandsimemorareiceadecomunicareestereprezentatdeporturilede intrare/ieire.nacestsensunportesteunpunctprincaresefaceschimbde informaie cu mediulexterior. n continuare vor fi prezentate elemente privind modalitile de transfer a datelor i mediile prin care acesta se realizeaz. 2.1.1. Transferul paralel al informaiei Dupcumseobservdinfigura2.1,unechipamentperifericnueste conectatdirectlamagistralelesistemuluidecalcul,ciprinintermediulunei interfee. FuncionareanemijlocitaEPestecoordonatdectreCP,carese conecteazlamicrosistemprinintermediulITF.Aceastdelimitarenetntre ITF i CP nu este ntotdeauna evident. Dac ITF i CPsunt incluse n acelai circuit integrat poart denumirea global de controller , acesta putnd depi n complexitate structura unuiP. E El le em me en nt te e c co om mp po on ne en nt te e a al le e s si is st te em me el lo or r d de e a ac ch hi iz zi i i ie eC CA AP PI IT TO OL LU UL L 22 Achiziia i prelucrarea datelor 22 nceeacepriveteinterfeele,acesteapotfinestandardsaustandard, ambeletipurifcndposibilcomunicaiacuporturile.Comunicaiacuunport necesitselectareaacestuia,urmatdenscrieresaudecitire.Informaiacitit saunscrisestevehiculatpemagistraladedateasistemului.Pentrusistem, portulncaresenscrieesteportdeieire,celdincareseciteteesteportde intrare, iar cel din carese citete si se nscrie este port de intrare / ieire. Ointerfadecomunicaiearestructuradeprincipiudinfigura2.2i necesit mai multe porturi concretizate n urmtoarele adrese : -unasaudouadresepentruportuldeintrare/ieiredate,dupcum acesta este bidirecional sau constituit din dou porturi unidirecionale ; - o adres pentru un port de intrare, care conine starea perifericului ; - o adres pentru un port de ieire care va conine un cuvnt de comand ctre periferic. MS I T F C PE P Fig.2.1.Structurprincipialpentruconectareaunuiperifericla sistem:MSmagistralsistem;ITF-interfa;CP-unitatede comand a perifericului; EP - echipament periferic. Periferic RTE RTI BSF MC MA MD Fig. 2.2. Structurde principiu pentru o interfa: MA, MD, MC - magistrale de adrese, date, comenzi; BSE - bloc selecie funcie; RTI, RTE - registre tampon de intrare, ieire. Achiziia i prelucrarea datelor 23 Deregulinformaiasetransmitenexteriordepemagistraladedatea sistemului.Dactoibiiiacesteiasetransmitsimultan,atuncitransmisiaeste paralel, iar dac se transmit succesiv transmisia este serial. Figura2.3prezintdiagrameledetimppentrutransferulparalelal urmtoareisecvenedecuvinteculungimeadeunbyte:11110001,00011110, 11000101.Dupcumseobserv,peliniilemagistraleivorfisimultan,la momentul de tact, biii corespunztori cuvintelor care se transmit ( se consider c cei trei octei se transmit la momentele t1, t2, i t3). ntreseciunileunuiPprecumintreacestasimemorie,transmisia este aproape n exclusivitate n format paralel. Vitezei ridicate de transmisie i se opuneosensibilitateridicatlaperturbaii,motivpentrucarenexteriorul sistemului transmisia sepoate face la maximum 2-3 m, iar cu amplificatoare de magistral la 50-60 m. Pentrutransferulparalelexistinterfeestandardprogramabile(funciile suntfixateprinprogram)ntrecareremarcabilesunt:PIO(ParallelInput Imp. D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 t1t1t1t1t1t1t1t1t3t2 t1t1Fig. 2.3 Diagram de timp pentru transmisia paralel: D7D0 - biii care se transmit; MSb - bitul cel mai semnificativ; LSb - bitul cel mai puin semnificativ. LSbMSbAchiziia i prelucrarea datelor 24 Output),PIA(ProgrammableInterfaceAdapter),PPF(Programmable Peripheral Interface). 2.1.2. Transferul serial al informaiei Transmisiaserial,careestemailentdectceaparalel,sefolosete pentrutransferulinformaieintrecalculatoaresauntrecalculatoareiunele categoriideperiferice.Comunicaiasepoatedesfuraintr-unsingursens (simplex),inambelesensuri,darnusimultan(semiduplex),sausimultann ambele sensuri (duplex). Indiferent de consistena fizic a semnalelor informaia poate fi transmis asincron sau sincron.n modul asincron momentele transmisiei sunt aleatoare, dar orice cuvnt consum acelai interval de timp.nfigura2.4esteevideniattransmisiaserialasincronaoctetului 11010100.nrepausliniaestenstarea1logic,iartransmisiafiecruicuvnt ncepecubituldestartcareeste0logic.Larecepiesedetecteazlainceput tranziia10abituluidestart.nsituaiarecepieicorecteabitului de start se preiau ceilali biti, ncepnd cu LSb i terminnd cu MSb. Transmisia cuvntului se ncheie cu unul sau doi bii 1 de stop,dup care linia rmne n repaus (starea 1),sausencepecuunnoubitdestart(starea0).Transmisiaestedenumit funcie de lungimea total a cuvntului pentru a transmite un octet (8/10- pentru un bit de stop, 8/11 pentru doi bii de stop). Viteza de transmisie a informaiei pe o linie de comunicaie se msoar nbps (bii pe secund), iar viteza semnalului se msoar n baud. Baud-ul este definit ca msura invers, a duratei exprimate nsecunde,aceluimaiscurtelementdincodulsemnalului.Esteevidentfaptul cncazulinformaieicodificatebinar,celedouvitezecoincid.Lafrecvene ridicatemodulasincrondevineineficient,deoarece2sau3biidintr-uncuvnt nu sunt purttori de informaie. t1 t1 StopStart t10t9 t8t7t6t5t4t3t2t1 b7b6b5b4b3b2b1b0 Ateptare UUImpulsuri de la generatorul local Fig. 2.4. Transmisie serial asincron 8/10. Achiziia i prelucrarea datelor 25 nmoduldetransmisieserialsincron,cuvintelesunttransmisentr-o succesiunecontinu,subformdeblocdedate,frbiidestartidestop. Pentruaexistacorespondenntimp(sincronizare),laemisieilarecepiese transmitecteunbitdesincronizarepentrufiecareblocdedate.Pentru transmisialamaridistanepelinietelefonic,semnaluldigitalesteconvertit ntr-ofrecven.nacestecondiiilaemitorestenecesarprezenaunui modulator,iarlareceptoraunuidemodulator,ansamblulcelordouelemente fiind cunoscut sub denumirea de MODEM ( MODulator DEModulator).nceeacepriveteinterfeelestandardizatedestinatetransmisieiseriale suntdemenionat:UART(UniversalAsynchronousReceiverTransmiter), ACIA(AsynchronousComunicationsInterfaceAdapter),USART(Universal Synchronous and Asynchronous Receiver Transmiter). Realizarea unei interfee seriale presupune n primul rnd realizarea unui convertorparalel-serie(pentruemisie)iaunuiaserie-paralel(larecepie). Ambele tipuri de convertoare pot fi realizate cu registre de deplasare. Conversia paralel-seriepresupunencrcareaunuicuvntintr-unregistru,urmatde deplasareaacestuiacucteunranglafiecareimpulsdetact.Astfel,laieirea registruluiseobinsuccesiv(serial)biiicuvntuluidelaintrarencepndcu LSb.Laconversiaserie-paralelregistrulestencrcatseriecucteunbit (ncepndcuLSb)lafiecareimpulsdetact.DupintroducereaMSbcuvntul este extras la ieirea n paralel a registrului . 2.1.3. Magistrale de comunicaie ntransferuldedatesuntimplicateechipamenteiunitifuncionale interconectate prin intermediul magistralelor de comunicaie. n sens restrns magistrala (M) reprezint un grup de trasee prin care sunt transmisesemnaleninteriorulunuisistemdecalcul,ntreacestai echipamentele periferice, sau ntre mai multe sisteme de calcul. n sens mai larg noiunea de M include: mediul de transmitere (conductor metalic, eterul, fibr optic, etc.) ; forma subcaresuntvehiculatesemnalele(niveluride tensiune, durata impulsurilor, frecvena impulsuriloretc.) ; dispozitivele de conectare de la fiecare capt. n afara consistenei fizice prezentate, noiunii de M i se mai atribuie i un coninut logic concretizat n modul de vehiculare a semnalelor, secvenierea lor n timp, semnificaiile acestora. Principial magistrala realizeaz urmtoarele funcii: - transferul de informaie; Achiziia i prelucrarea datelor 26 -sincronizarea,carepermitecuplareadeechipamentecucaracteristici dinamice diferite; - comutarea, care faciliteaz utilizarea n comun a M.Cutoatecdinpunctdevederefiziccircuiteledesincronizarei/sau comutaresegsescinclusenmoduleledeservite,conceptualacestease consider ca fcnd parte din M. Concretizarea realizrii acestor funcii impune alegereamediuluifizicdetransmitere,aprotocoluluilogicdetransmisieia manierei de alocare a M la utilizatori. Uzual M se consider secionat n trei diviziuni i anume: -magistrala de date asociat transmiterii datelor ntre memorie i P; -magistraladeadreseprincarecirculsemnaleledeidentificarea locaiei de memorare referite; -magistraladecomenzicarevehiculeazsemnaleledecomandi control ale sistemului. CaracteristicileimportantealeuneiMsuntlungimeailimea(prin limenelegndu-senumruldeliniinparalel).ntreacesteadou caracteristici exist o strns corelaie determinat de structura fizic a mediului de transmitere i de cost.Deoareceactualeleechipamentedeconduceresuntsisteme multiprocesor,ncontinuarevorfiprezentatectevaelementespecifice comunicaiei n cadrul acestor sisteme. Dinpunctdevederetopologicsubsistemelepotfiputernicsauslab cuplate.Termenuldeputerniccuplatestefolositpentrudefinireaunuitransfer de informaie ntre procesoare i resurse comune (n primul rnd memoria) care seconsiderconcentrate.Termenuldeslabcuplatsereferlacomunicaian cadrulsistemelorncareattprocesoarelectiresurselesuntdistribuite. SistemelorputerniccuplatelesuntspecificeMparalele,iarceleslabcuplate sunt caracterizate de existena M seriale. O prim structur de sistem puternic cuplat este cea din figura 2.5,n care procesoarele P1 i P2 utilizeaz n comun memoriile M1 i M2. Fiecare procesor dispune de propria M, ceea ce impune ca fiecare memorie s dein un numr de porturi de acces egal cu numrul procesoarelor. n cazul sistemelor cu un numr ridicat de procesoare, structura M i mecanismul de acces multiport la memorie devindeosebitdecomplexe,ceeacelimiteazrspndireaacestuitipde comunicaie. P1 Fig. 2.5. Sistem puternic cuplat cu mai multe magistrale: P2 M1M2Achiziia i prelucrarea datelor 27 Structuradinfigura2.6utilizeazosingurM,indiferentdenumrul procesoarelorialblocurilordememoriepecareleinterconecteaz.Utilizarea Msefaceprindivizareatimpului,fiecruiprocesfiindu-ialocat,ciclic,un intervaldetimpncareareacceslatotalitatearesurselor(nspelantregul spaiu de memorie). O asemenea soluie este atractiv datorit simplitii ei, dar prezint dezavantajul unor performane n ceea ce privete viteza de transmisie. O a treia metod de interconectare n cadrul sistemelor puternic cuplate o reprezintutilizareaMncruciate(cross-bar).Dupcumseobservdinfigura 2.7,ncareesteevideniatprincipiulmetodei,prezenacomutatoarelorpe magistraleKijpermitecomunicareaoricruiprocesor,cuoricemodulde memorie,fiind posibile i transferurile simultane. De exemplu, n figura 2.6, n timpceprocesorulP1citetedatedinmemoriaM2,procesorulP2poates nscriedatenmemoriaM1.Soluiacross-barmretevitezadelucrua sistemului,simplificrealizareablocurilordememorie,darnecesitunnumr mare de magistrale i un mecanism complex de comutaie. Industriaechipamentelordeconducereaproceseloracunoscuto abundendetipuridemagistrale,mariiproductorincercndsimpunca standard propriile structuri de M. Magistralele specifice sistemelor de conducere suntderegulierarhizateidistribuite,corespunztorcaracteruluiacestor sisteme. n continuare vor fi prezentate elementele importante a dou standarde P1 Fig. 2.6. Sistem puternic cuplat cu o singurmagistral.P2 M1M2P1 Fig. 2.7.Sistem cu magistrale ncruciate. K12K11 K22K21 P2 M1 M2 Achiziia i prelucrarea datelor 28 deorganizareamagistralelorpentruechipamenteledeprocesianumeAMSi VME. Magistrala AMS a fost elaborat n Europa, de ctre firma Siemens i este organizat pe 4 niveluri de comunicaie (figura 2.8). Procesoareleasociateprimuluinivelsuntinterconectateprinmagistrale pe32debii,AMS32.ProcesoareleP1iP2coordoneazprinintermediul magistralelorpe16biiAMS16susbsistemelesituatelanivelulinferior. DiviziuneaAMS8aMesteasociatniveluluidebazalsistemuluiierarhici poatereprezenta,deexemplu,comunicaiileasociateunuiC.nafara comunicaieidetipparalelntreprocesoare,standardulAMSoferi posibilitatea comunicaiei de tip serial ntre acestea. MagistralaVME,cutoatecs-adoritsfieindependentdefabricant, esteputernicorientatctrefamiliadePMotorola.Dinpunctdevedere structural, standardul VME impune 3 seciuni, evideniate n figura 4.9 i anume: -VMXdestinatconectriiunuiprocesorcumodulepasivenstructuri monoprocesor; -VMEcarepermitecuplareanconfiguraiemultiprocesoramodulelor active i pasive. -VMS care ofer posibilitatea comunicaiei seriale ntre modulele active i cele pasive. P1S1 P2P3P4S2 P5 S8 S9 S5S6S7 S10 S11 AMS_8 AMS_16 AMS_32AMS_8 AMS_8 AMS_16 Fig. 2.8. Comunicaia prin magistrala AMS : P - procesoare (module MASTER); S - modulesubordonate (SLAVE). Achiziia i prelucrarea datelor 29 Distribuiapeariiextinseaechipamentelordeconducereisupraveghere impuneconectareaacestoranreeledecomunicaie,ncarecomunicaiaeste serialiarschimbuldeinformaiesepoaterealizantredoisaumaimuli parteneri. Principalele configuraii de reele sunt (figura 4.10): -configuraiestea,ncareunnodcentralestelegatlatoatecelelalte noduri ale reelei; -configuraiemultipunct,ncaretoatenodurilesuntconectateprintr-o legtur unic; -configuraienbucl,asemntoareceleimultipunct,ncarens legtura formeaz o bucl; -configuraiadetipplas,ncarefiecarepartenerdinreeaposedcel puin dou legturi cu ali parteneri. Comunicaiancadrulreelelorsepoaterealizantr-unsenssaun ambele sensuri (simultan sau nu). Canalele care ofer suportul comunicaiei pot fimultiplexatentimpsaunfrecven.nprimulcazfiecruiutilizatorise alococuantdetimp,peduratacreiapoatefolosicanalul.Multiplexarean frecven presupune alocarea de frecvene separate (n cadrul benzii de trecere a canalului) pentru diveri parteneri sau grupe de parteneri. Pentru ca transferul de informaie n cadrul reelelor s poat avea loc, se impunestabilireaunuisetdereguliasociatacestuiproces,careconstituie protocolul de comunicaie. 2.3.Interfee de proces Necesitatea interconectrii subsistemelor cu caracteristici complet diferite impuneutilizareaunordispozitivecareslecompatibilizeze.Aceast compatibilizaretrebuiesasiguretransferulinformaionalntresistemele conectate, care devine posibil n condiiile n care dispozitivele de interconectare prezint caracteristici comune ambelor subsisteme. PMI/EMP VMX VME VMS Fig. 2.9.Magistrala VME: P - procesoare; M - memorie; I/E - uniti de intrare/ieire; VMS, VME, VMX - seciuni ale magistralei. Achiziia i prelucrarea datelor 30 ncadrulsistemelornumericedeconducereaproceselor, compatibilizareaesteasiguratdectresistemuldeinterfaproces-calculator (SIPC) ale crui caracteristici vor fi prezentate n cele ce urmeaz. 2.3.1. Structura i funciile sistemului de interfa cu procesul NecesitateaexisteneiSIPCapareevidentdatoritincompatibilitii totalentremrimileaferenteprocesuluiicelecucareopereazechipamentul numericdeconducere.PracticSIPCasigurposibilitateaconectrii calculatorului la echipamentele periferice de proces reprezentate de traductoare ielemente de execuie. LanivelulSIPCseconsidercarelocotransmisiebilateralde informaie,ntreprocesicalculator,carefunciedesensultransmisieisepot constituialternativnemitoarerespectivreceptoaredeinformaie.Transmisia semnalelor se poate face prin cablu, radio, fibr optic, etc. n cazul transmisiei princablu,aceastasepoatefaceseriesauparalel,duratafiinddeterminat,printre altele, de: timpii de trecere, de identificare a receptorului i de acceptare atransmisiei.Vitezadetransmisieadateloresteinfluenatidetipul semnalelor de sincronizare. Dinacestpunctdevederetransmisiasepoatefaceprindoumetodei anume: -transferulciclic,carepresupuneefectuareatransmisieintredou impulsuri de tact; b) a) d) c) Fig. 2.10.Tipuri de reele de comunicaie: a - stea; b - multipunct; c - n bucl; d - de tip plas cuconectare complet. Achiziia i prelucrarea datelor 31 -transferullacerere,carepresupuneinformareaasincronaunitii receptoarenlegturcuposibilitateaefecturiiuneitransmisiiurmatde identificarea emitorului i de acceptarea transmisiei. StructurageneralaunuiSIPCestedeformaceleiprezentatenfigura 2.11, n care se remarc prezena a dou subsisteme i anume: - subsistemul de achiziie a datelor (SAD); - subsistemul de distribuie a comenzilor (SDC). SAD,carecuprindesubsistemeledeachiziieadateloranalogice (SADA)inumerice(SADN),asigurpreluareasemnalelordinproces, adaptarea lor n vederea prelucrrii numerice i transmisia la calculator. SDC, care cuprinde subsistemele de distribuie a comenzilor n forma analogic(SDCA)inumeric(SDCN),asigurtransformareainformaiei furnizatedecalculatornsemnalespecificeelementelordeexecuie(analogice sau numerice) i transmisia ctre acestea. Gestionareatransferuluideinformaientreperifericeledeprocesi echipamentulnumericdeconducereesterealizatdectreoblocdecomand aferent SIPC. nmomentulactualseconstattendinademigrareatehniciinumerice ctreperifericeledeprocesaspectmaterializatdeapariiaaanumitelor traductoareielementedeexecuieinteligente.Aceastdeplasarenuschimb ns fondul atribuiilor SIPC deoarece subsistemele aferente acestuia se regsesc n structurile traductoarelor i elementelor de execuie. Soluia, tentant la prima vedere,prezintinconvenientulcosturilor,ncdestulderidicatepentruaceste tipuri detraductoare i de elemente de execuie.C A L C U L A T O R PROCES SDCNSDCASADN SADA SDCSAD Fig. 2.11. Structura generala unui SIPC. Achiziia i prelucrarea datelor 32 Osituaiefrecventntlnitesteaceeancaresemenintraductoarei elemente de execuie analogice dar se utilizeaz regulatoare numerice. n acest cazregulatoareleconininterfeedeprocescustructuriapropiatedecelecese vor prezentata n continuare. 2.3.2. Subsistemul de achiziie a datelor analogice (SADA) Unvolumimportantdininformaiaprivindstareaproceselortehnologice estetransmissubformanalogicdectretraductoarecorespunztoare.Aceste semnale pot fi att n curent ct i n tensiune, de nivel cobort sau ridicat.ntre funciile specifice SADA pot fi enumerate: -selectareacanaluluifizicdeaccesconformuneiadreseprimitedela UCP; -eventualeprelucrriprimarealeinformaieipreluate(liniarizri, corecii, filtrri, etc); -transformareasemnalelornvedereacompatibilizriicudomeniul dispozitivului (dispozitivelor) de conversie analog-numeric; - conversia din form analogic n form numeric; -transferulinformaieinumericerezultate,nmemoriaechipamentului numeric prin intermediul magistralei de date. Corespunztorfunciilorenumerate,nstructuraSADApotintra,n totalitate sau nu, urmtoarele componente: - elemente de jonciune (EJ), care conecteaz SADA la liniile prin care se transmit semnale de la perifericele de proces; -multiplexoare(MUX),carecreeazposibilitateautilizriincomuna resurselorunice; -elementedeprelucrareprimar(EPP),careasigurprelucrridetipul celor enumerate mai sus; -amplificatoare,carepermitaducereasemnaluluindomeniul convertorului analog-numeric i adaptarea de impedan; -dispozitivedeeantionareireinere(DER),carereprezintmemorii analogice destinate pstrrii semnalului eantionat pe durata conversiei analog - numerice; -convertoareanalog-numerice(CAN),destinateconversieisemnalelor preluate din form analogic n form numeric; -registretamponalemrimiiconvertite(RT),carememoreazvalorile numericealemrimilorachiziionate,pncndacesteasuntpreluatepe magistrala de date; -bloculdecomand(BC)destinatsecvenieriioperaiiloraferente achiziiei i conversiei, innd cont de caracterul asincron al acestora n raport cu funcionarea UCP. Achiziia i prelucrarea datelor 33 nfigura2.12suntprezentatestructuriposibiledeSADAdifereniate dup numrul de CAN utilizate. Variantadinfigura2.12aestecaracterizatdeprezenaunui amplificatorcufactordeamplificareprogramabil(AFAP),cruiaisuccedeun lan unic DER-CAN. Rolul AFAP este acela de a aduce semnalele preluate de la traductoare n domeniul de lucru al CAN. Operaiadeachiziieadatelordepeunanumitcanal,ncazulacestei variantei,se deruleaz etapizat dup cum urmeaz: - se transmite multiplexorului analogic MUXA adresa canalului selectat; - se transmite ctre AFAP factorul de amplificare aferent; - se transmite ctre DER comanda de eantionare; - se transmite ctre CAN comanda Start conversie; - dup recepionarea semnalului Sfrit conversie se transmite comanda de nscriere a informaiei numerice furnizate de CAN n registrul tampon RT. a)I1EPPI2EPPInEPPMUXA MD B CRT CAN DER AFAPI1EPPInEPPMUXNMD RT B CDER1b)A1 AnDERnCAN1CANnFig. 2.12. Structuri de SADA: a - cu un singur CAN i multiplexare analogic; b - cu mai multe CAN i multiplexare numeric.Achiziia i prelucrarea datelor 34 Varianteidinfigura2.12biestespecificcteunlanA-DER-CAN pentrufiecarecanalcareseconecteazlaSADA.Spredeosebiredevarianta anterioar, fiecare din coeficienii de amplificare aiamplificatoarelor A1,, An estefix,iarmultiplexareaestenumeric,resursacomunfiindreprezentatde RT iar utilizatorii de ansamblurileEP-A-DER-CAN, aferente fiecrui canal. Achiziiadepeuncanal,ncazulvarianteibserealizeazprin parcurgerea urmtoarei secvene de operaii: -sepoziioneazmultiplexorulnumericMUXNpecanaluldepecare urmeaz a se face achiziia; - se transmite comanda de eantionare ctre DER de pe canalul respectiv; - se transmite comanda Start conversie ctre CAN de pe canalul selectat; -duprecepionareasemnaluluiSfritconversiesedcomandade nscriere a codului numeric rezultat n RT. n cazul ambelor variante dup nscrierea n registrul tampon RT, datele n formnumericpotfipreluatenmemorieprinintermediulmagistraleidedate MD. Cutoatecnsoluiileprezentatenfigura2.12SADAseconecteaz numai la MD, nu este exclus conectarea n anumite situaii i la magistralele de adrese i de comenzi ale sistemului respectiv. n continuare se vor face referiri la elementele care intr n structura SADA. Elementeledejonciune.Acesteaasigurconectareanemijlocit, fizicaSADAlatraductoareledinproces.Uzualconectareasepoatefaceprin cleme,cuplesaulipire.DeosebitdeimportantpentrupreciziaSADAeste valoarearezistenelordecontactdincadrulEJistabilitatealorntimp.Din acestpunctdevedereceamaisiguresteconectareaprinlipire,lapolulopus situndu-se EJ realizate cu cleme. OaltcerinimpusEJoreprezintposibilitateademodificarea configuraieicanalelordeintrare,conexiunilerealizatecuclemeoferind faciliti maxime n acest sens. n legtur cu opiunea pentru un tip de EJ trebuie realizat un compromis ntre versatilitatea i fermitatea jonciunilor realizate. Elementedeprelucrareprimar.Acestearealizeazprintrealtele urmtoarele operaii: converise curent - tensiune, filtrare, atenuare. Conversiacurenttensiune.Serealizeazprinconectareaunuirezistorn circuituldeieire(ncurent)altraductorului.Rezistenaacestuiase calculeazcu relaia: maxmaxIUR = (2.1) n care:- R esterezistena rezistorului; Achiziia i prelucrarea datelor 35 - Umax - domeniul tensiunii la intrarea CAN; - Imax - domeniul curentului de la traductor. Exemplul 2.1 S se calculeze rezistena R pentru un traductor cu ] ... [ mA 20 4 i ecare se conecteazlaunCANcareadmitelaintrare] [... V 1 ue ,domeniulutilfiind ] ... , [ V 1 2 0 ue . Rezolvare n figura 4.16 se prezint conectarea traductorului la CAN i caracteristica static a convertorului curent - tensiune realizat cu rezistorul R. Aplicnd relaia (2.1) rezultpentru R valoarea : O ==50010 4 202 0 1R3) (, Filtrareaaredreptprincipal,scoprejeciatensiunilorparaziteindusen cabluriledeconectare.Uzualsefolosescfiltresimpletrecejosiarnsituaii deosebite chiar filtre active. Atenuareaserealizeazprinutilizareadivizoarelorrezistive. Performaneleatenuatoarelorsuntdictateattdepreciziactidestabilitatea termici n timp a rezistoarelor. Multiplexoarele. MUX sunt dispozitive care permit conectarea unei resurselamaimuliutilizatori,situaidinpunctdevederetopologicnaintea acesteia.Multiplexareapoatefianalogicsaunumeric.SoluieideSADA prezentatenfigura4.15aiestespecificmultiplexareaanalogicncare utilizatoriisuntreprezentaidecanaleleanalogicedeintrareiarresursade ansamblul AFAP-DER-CAN. Pentru varianta de SADA din figura 4.15 b, n care multiplexareaestenumeric,utilizatoriisuntconstituiidinCANasociate fiecrui canal iar resursa de RT i implicit de magistrala de date a sistemului. TraductorC A NR u i u [V ]i [mA ] 10.2204b)a) Fig. 2.13. Conversia curent -tensiune: a - schema de conectare; b - caracteristica static. Achiziia i prelucrarea datelor 36 MUXAesteconstituitdintr-oreeadecomutatoarecomandate,carepe bazauneiadresedeseleciedirijeazoanumitintrarectreieireaunic.n figura 2.14 se prezint schematic un MUXA cu8 intrri i tabelul de adevr al seleciei canalelor. Dup cum se observ din figura 2.14.b, cuvntul de adres este format din 4bii,dincare3suntpentruseleciacanalului(A2,A1,A0)iarbitulEN(enable) esteutilizatpentruseleciaMUX.OricecombinaieA2A1A0 vaconducela selecia unui canal, numai dac MUX este activat, respectiv dac EN=1. ngeneralpentruunMUXAcuncanaledeintrarecuvntuldeseleciea unui canal va fi format din log2n+1 bii, unde n este o putere ntreag a lui 2. ElementulprincipalalMUXAlconstituiereeauadecomutatoarecare poate fi realizat n urmtoarele variante constructive: - cu relee obinuite; - cu relee cu mercur; - cu relee reed; - cu elemente semiconductoare. Primeletreivariante,careutilizeazelementeelectromecanicesunt caracterizatedeinvestiiiiniialereduse,compensatensdeunefort considerabil n timpul exploatrii, datorit fiabilitii i duratei de via reduse. Dintrevariantelecuelementeelectromecanices-auimpusateniei, datorit unui raport performan/cost acceptabil, MUX realizate cu relee reed Unreleureedacruistructuresteprezentatnfigura2.15,poateoferi urmtoarele performane: - rezistena contactului nchis mai mic de 50 m ; ENA2A1 A0 I7 I1 I0 YENA2A1A0Y 1000I0 1001I1 1010I2 1011I3 1100I4 1101I5 1110I6 1111I7 0***- b) a) Fig. 2.14.MUXA cu opt intrri: a - schema principial; b - selecia intrrilor.Achiziia i prelucrarea datelor 37 - viteza de comutaie ridicat chiar n cazul unor frecvene de ordinul 250 parametri / secund; - durata de via ridicatsituat ntre 106 i 109 cicluri. Estedemenionatfaptulcduratadeviaaunuireleureedeste condiionatderespectareaspecificaiilorreferitoarelancrcareaacestuia (rezisten de sarcin). Reeleledecomutatoarestaticesuntrealizatecudispozitive semiconductoarecarelucreaznregimdecomutaie.Comutatoarelepotfi realizatecutranzistoarebipolaresauspeciale,nfigura2.16fiindprezentatun comutator realizat cu tranzistoare cu efect de cmp (FET). Cu notaiile din figura 2.16 expresia tensiunii la ieire este: iON DS c ss0Ur R RRU) (+ += (2.2) U1 2 34 Fig. 2.15. Schema principiala unui releu reed: 1 - lamelfix; 2 - capsuldin sticl;3 - bobin; 4 - lamelmobil.Fig. 2.16. Comutator electronic realizat cu FET: RS - rezistende sarcin; RC - rezistenaferentcanalului de intrare; Ui - tensiune de intrare; U0 - tensiune de ieire; UC - tensiune de comand; D - dren; S - surs; G - gril. Ui U0 UCRC RSGSDAchiziia i prelucrarea datelor 38 ncarerDS(ON)reprezintrezistenatranzistoruluidren-sursnconducie(de ordinul ohmilor). MUXA se realizeaz de regul pentru un numr relativ redus de canale, 8 sau16.Cretereacapacitiidemultiplexareserealizeazprinconectareamai multorMUXA.nfigura2.17seprezintoasemeneasoluie,princonectarea MUXA paralel, n varianta a, respectiv serie n varianta b. PrinconectareanparalelamMUXAcunintrriseobineunMUXAcu n m intrri.Conectareanseriepresupuneutilizareaam+1MUXA, capacitatea rezultat fiind de) ( m n n m + canale. Pelngavantajulcreteriinumruluidecanalemultiplexate,celedou soluii prezint i dezavantaje cum ar fi: -micorareaimpedaneideintrareaamplificatoruluicaresuccede MUXA (varianta a); -creterearezisteneicomutatoarelornconduciecarepoate influena precizia achiziiei (varianta b). ncazulMUXNresursacomunpoatefireprezentatdeuncanalde comunicaie,iarutilizatoriidesursedesemnalcumarfi:traductoarenumerice sau quasinumerice, stri contacte etc. n figura 2.18 este prezentat structura unui MUXNpe un bit 4:1, realizat cu pori I-SAU-NU i care are urmtoarea funcie de selecie: MUX1 n21MUX2 n21MUXm n21MUX 0 nm21Yb)MUX 1 n21MUX 2 n21MUX m n21Ya) Fig. 2.17. Configuraii de multiplexoare: a - paralel; b - serie. Achiziia i prelucrarea datelor 39 ) D A A D A A D A A D A A EN Y3 1 0 2 1 0 1 1 0 0 1 0 + + + = ((4.3) Insistemeleindustrialeachiziiamrimilornumericenuserealizeazla niveldebitcilaniveldecuvntbinarcuolungimeegal,deregul,cuceaa magistralei de date. Ca i n cazul MUXA creterea capacitii de multiplexare se poate realiza prin gruparea convenabil a MUXN elementare. Amplificatoarecufactordeamplificareprogramabilntr-unSIPC amplificatoarele pot realiza una sau mai multe din urmtoarele funcii: - amplificarea semnalului; - adaptarea de impedan ntre surse i DER; - conversia curent tensiune; - rejecia zgomotului de mod comun dintr-un semnal diferenial. nceleceurmeazsevorfacereferirilaprincipalafunciea amplificatoarelorianumeaducereasemnalelorpreluatedelatraductoaren domeniul de lucru al ansamblului DER-CAN. Dacsurselesesemnalnuofersemnalenaceeaigamseutilizeaz AFAP.nfigura4.22seprezintstructuraunuiAFAP,careconineun amplificator operaional AO a crui rezisten de intrare poate fi modificat prin comanda de la calculator a comutatoarelor Ci. END3D2D1D0 A0A1 W YFig. 2.18. MUXN pe un bit cu patru intrri: A1, A0 - bii selecie canal; EN - bit selecie MUXN; D0D3 - intrri numerice; Y - ieire direct; W - ieire negat. Achiziia i prelucrarea datelor 40 Amplificarea structurii prezentate n figura 2.19este12RRA = (3.4) n care rezistena de intrare R1 se determin cu relaia 1403122131c 2 c 2 c 2 c 2 R R + + + = ) ( ,(3.5) undeciarevalorilogice0sau1funciedestareadeschissaunchisa comutatoarelorCi.ntabelul4.1seprezintvalorile|A|1pentrutoate combinaiile posibile ale comutatoarelor, n situaia R=R2. Eroareatipicastructuriidinfigura2.19estedatoratfaptuluic rezistenelecomutatoarelorintrodusedecomutatoareleCi(realizatecu tranzistoarecuefectdecmp,bipolare,releeREEDetc.)senseriazcu rezistenele reelei de comutatoare din MUX . 1 Din combinaiile prezentate se eclude combinaia 0000 care ar corespunde tuturor comutatoarelor deschise. Tabelul 2.1 Valori posibile pentru (A C10000000011111111 C20000111100001111 C30011001100110011 C40101010101010101 (A01234567891 1 1 1 1 1U2 +-U1 C4C3C2C1R2R1R R/2R/4R/8De lacalculatorCircuit de comand Fig. 2.19.AFAP cu rezisten variabil pe intrare. Achiziia i prelucrarea datelor 41 Structuraprezentatnfigura2.20,ncarerezistenavariabileste conectat pe reacia amplificatorului operaional elimin acest neajuns.Cndestenecesarundomeniulargdeamplificareinacelaitimpse solicitorezoluiefinntredoutrepte,sepoateintroducencascadunal doilea etaj cu amplificare programabil. Dispozitivedeeantionareireinere.UtilizatempreuncuCAN, DERasigurmemorareaanalogicasemnaluluipedurataconversieianalog numerice.Principial,unDERconineoseciunedeeantionareiunade memorare ilustrate n figura 2.21. Funcioanrea DER are loc n douetape i anume: - obinerea informaiei, caracterizatde timpul de obinere T0; - memorarea informaiei, caracterizatde timpul de memorare TM. -+Circuit decomandDe lacalculator U2U1C4C3C2C1R 8R4R 2R RFig. 2.20. AFAP cu rezistene variabile pe reacie. + +BCCMU2 U1 De lacalculatorFig. 2.21. Structura principial a unui DER KAchiziia i prelucrarea datelor 42 Convertoareanalog-numerice.CANrealizeazconversiaunui semnal din form analogic n form numeric n vederea prelucrrii ulterioare prin metode numerice. Procesulprincarearelocaceasttransformareconstituieoclasificarea mrimii de intrare (uzual semnal n tensiune) ntr-un numr de clase sau canale distincte.Rezultatulconversieiestepracticreprezentatdenumrulcanalului cruia i este repartizat valoarea respectiv. MrimeadeintrareUiesterepartizatcanaluluikdaceasatisfacerelaia de apartenenla acest canal: 1 k i kL U L> >(2.6) n care Lk i Lk-1 sunt limitele superioare ale canalelor k, respectiv k-1. Diferena celor dou limite 1 k kL L U = A(2.7) constituie limea canalului. Din cele prezentate, rezult c oricrei valori Ui care satisface relaia (2.6) iseataeazacelainumrdecanal.Aparedeaiciideeaexisteneiuneierori inerente de cuantificare egal cu limea unui canal.Determinarea numrului canalului N se face n baza relaiei: RiUUN = ,(2.8) ncareURreprezintotensiunedereferin.UzualNseexprimnnumrde cuante sau numr de uniti CAN (uCAN). IndiferentdetipulCANrezultatulconversieiesteuncuvntbinarn structura cruia se evideniaz: -BSMin-bituldesemnificaieminimamplasatnextremadreapta cuvntului binar; -BSMax-bituldesemnificaiemaximamplasatnextremastnga numrului binar. CaponderiluiBSMaxicorespunde1/2dindomeniuldevariaie (diapazonul) al mrimii Ui iar lui BSMin i se asociaz reprezint1/2n din acelai diapazon. Dacnreprezintlungimeanbiiacuvntuluiconvertit(rezoluia), atunci numrul maxim de cuante (canale) va fi 1 2 Nn =max,(2.9) iar valoarea unui canal se va obine: Achiziia i prelucrarea datelor 43 } , { , 1 0 a 2 a Ni1 n0 iiie = =,(2.10) CunoscndvaloareatensiuniidereferinUR ilungimeacuvntului convertit n se poate determina limita maxim a domeniului tensiunii de intrare RniU 1 2 U = ) (max(2.11) Considernduncanalidentificatprinvaloareasamedie,rezulteroarea inerent de cuantificare ca fiind 2 U / A , respectivBSMin 2 1/ . Pebazaprecizriloranterioare,nfigura2.22seprezintcaracteristica idealaunuiCANcurezoluiade3biiivariaiaaeroriiinerentede cuantificare.nafaraeroriiinerentedecuantificare,procesuldeconversiemai poate fi nsoit de urmtoarele tipuri de erori : - eroarea de decalaj a nulului (offset); - eroarea de amplificare; - eroarea de neliniaritate. cC + Bsmin - Bsmin 7.0 6.5 5.5 4.5 3.5 2.5 2.5 1.50.5 Ui * UR Bsmin 7.0 6.5 5.5 4.5 3.5 2.5 1.50.5 Ui * UR N 111110101100011010001000Fig. 2.22. Caracteristica de transfer ideala unui CAN cu rezoluia de 3 bii: N - numr de cuante; Ui - tensiunea de intrare; UR - tensiunea de referin; cc - eroarea de cuantificare. Achiziia i prelucrarea datelor 44 Determinareabiilorcuvntuluiconvertitsepoatefacesimultansau succesiv. Pentru prima metod sunt semnificative CAN de tip paralel iar pentru a doua metod CAN cu reacie. -CANdetipparaleldetermintoibiiireprezentriinumericeca urmareacomparriitensiuniideintrarecuniveluriprestabilitedetensiune.n figura 4.26 se prezint structura unui CAN paralel cu n = 2 bii. Dup cum se observ nivelurile prestabilite de tensiune sunt echidistante, diferenadintreacesteafiindegalculimeacanaluluideconversie,respectiv BSMin. n tabelul 4.2 sunt evideniate ieirile comparatoarelor C1, C2, C3funcie de valorile tensiunii Uin. Tabelul 2.2 Valori logice asociate CAN pe doi bii UinY3Y2Y1Bit2Bit1 0 Uref /4 00000 Uref /42 Uref /4 00101 2Uref /43 Uref /4 01110 3Uref /4 Uref 11111 - +- +- +CodificatorY1Y2Y3R R R R Uin Uref /4 2Uref /4 3Uref /4Uref Bit1 (BSMin)Bit2 (BSMax)Fig. 2.23.CAN paralel pe doi bii. Achiziia i prelucrarea datelor 45 Din tabelul 2.2 rezult urmtoarele funcii logice pentru codificator: 1 2 1 2 331 2 3 1 2 3Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 2 Bit = + = + = ) ( (2.12) 1 2 32 31 2 3 12 3Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 1 Bit ) ( Y + = + = .(2.13) ncazulgeneral,pentruorezoluieaCANdenbiisuntnecesare2n-1 comparatoare. CAN paralel prezint avantajul rapiditii conversiei, dar odat cu creterearezoluieicreteexponenialnumruldecodificatoareisecomplic logica de codificare. CANcureacieasiguruncompromisntrevitezadeconversiei simplitateaconstructiv.LaacesteCANdeterminareastructuriicuvntului convertit se face prin comparaii succesive. Din aceast categorie se va prezenta succintnceleceurmeazunuldincelemairspnditeCANianumecelcu aproximaii succesive, a crui schem bloc se afl n figura 2.24. Aa cum reiese din figur CAN funcioneaz n buclnchis, pe calea de reacie gsindu-se un convertor numeric analog (CNA). Acesta este comandat de un registru special numit registru cu aproximaii succesive (RAS). n momentul nceperiiconversieitoibiiiRASsuntnstarea0cuexcepiaBSMaxcareeste prestabilitnstarea1.Cuaceaststructurabiilor,RAScomandCNAacrui tensiune UCNA este aplicat comparatorului C. ConfiguraiabiilordinRASfacecaprimacomparaiealuiUinsse efectuezecuUmax/2,ctreprezintntensiuneBSMax.DacUin>Umax/2, BSMax rmne 1, altfel este trecut n 0. La ciclul urmtor tensiunea generat de CNAvafinprimulcaz3Umax/4iarnaldoileaUmax/4.Procesulcontinuprin comparaii succesive ale tensiunii Uin cu aproximaii tot mai bune ale sale, pn cnd se determin BSMin. Fig. 2.24. Schema de principiu a unui CAN cu aproximaii succesive. + - . . . C N An 2 1Registru deplasareRASUCNA UmaxUin date IntrarTact Start Ieire paralelIeire serie Sfrit conversieBSMin BSMaxAchiziia i prelucrarea datelor 46 Astfelpentruconversiacompletaunuisemnalanalogicntr-unnumr denbiisuntnecesarencomparrialesemnaluluideintrarecusemnalulde reacie. Aceste n comparri mpreun cu ajustarea semnalului de reacie necesit nperioadedetact.Ajustareasemnaluluidereaciepresupuneadmitereabitului k,dacsemnaluldereaciepnlabitulkestemaimaredectsemnalulde intrareirespingerealuincazcontrar.nafaracelornperioadedetact menionatemaiestenecesarncunapentruiniializareaRASlanceputul conversiei. LasfritulconversieitensiuneadereacieiUrcarereprezintceamai bun aproximaie a semnalului de intrare realizat cu n bii este : } , {max1 0 a2aU Uin1 iiire ==.(2.14) Tehnica de selecie a biilor reiese din figura 2.25, unde s-a considerat un CANcurezoluiade3bii.Dupcumreiesedinfigura2.25stabilireaunei combinaiilaieireserealizeazprin3treceri,alocareacanalelorfiind prezentat n figura 2.26. uinmax)68U uinmax)48Uuinmax)78Uuinmax)58Uuinmax)38Uuinmax)U8 uinmax)68U Nu Da100 110Nu Da100110UinNuDaDa DaDa Da 000 000 001010 011 100 101110 111 100 NuNu Nu NuFig. 2.25. Selectarea codului pentru un CAN cu aproximaii succesive cu n = 3 bii. 0 000 1 001 2 010 301141005101611087111 * Umax/8Fig. 2.26. Alocarea canalelor pentru un CAN cu n = 3 bii. Achiziia i prelucrarea datelor 47 AvndnvedereroluldeosebitalCANnrealizareaperformanelor globale ale SADA, la alegerea CAN trebuie avute n vedere: - domeniul semnalului de intrare; - natura semnalului de intrare; - durata admisibil a conversiei; - rezoluia necesar; - erorile admisibile maxime; - tipul transmisiei semnalelor convertite (serie sau paralel). O cerin important care se impune CAN este rezoluia. Referitor la acest parametrutrebuieavutnvedereimplicareaCANntr-unsistemdemsurata cruiclasdeprecizieestedictatdeelementulcupreciziaceamaisczut. Pornind de la aceste considerente se poate aprecia c o rezoluie de 12 bii este pe deplin satisfctoare pentru sistemele de achiziie industriale. 2.3.3. Subsistemul de achiziie a datelor numerice Acestsubsistem(SADN)asiguraccesulpemagistraladedatea sistemuluiainformaieinumericereferitoarenmoddeosebitlastarea procesuluisauaunordiviziunialeacestuia.Dacseutilizeaztraductoarecu ieireanumeric,SADNasigurpreluareainformaieinumericefurnizatede acestea. Un canal multiplu de achiziie a datelor numerice ndeplinete urmtoarele funcii:- colectarea i centralizarea informaiei din proces; -selectarealiniilordeintrareiadaptarealacaracteristicile receptorului; - transferul n memoria sistemului prin intermediul magistralei de date. Datele pot fi preluate individual sau pe grupe de 8 sau 16 semnale funcie delungimeacuvntuluidedateasistemuluidecalcul.Semnalelepotfipur M U X NMDB CI11 EPP1EPP1I1m In1 EPPnEPPnInm RTFig. 2.27 Structura principiala unui SADN. Achiziia i prelucrarea datelor 48 numerice(niveluridetensiune,curentsaustricontacte)sauquasinumerice (durata sau frecvena unor impulsuri). Intrrile numerice pot fi statice, cnd sunt sesizatenivelurilesaudinamice,atuncicndsuntsesizatetranziiile.Funciile prezentate ale SADN pot fi realizate de ctre structura din figura 4.30. Aceaststructurpermiteachiziiaangrupefiecareformatdinctem parametrinumerici.Elementeledejonciuneasigurcuplareafizicaliniilor numericelaSADN.ElementeledeprelucrareprimarEPPasiguradaptarea semnalelor numerice la cerinele multiplexorului numeric MUXN. nvedereaprentmpinriiaspectelornegativedatoratefluctuaiilor nivelurilorsemnalelordeintrare,ncadrulEPPsepotutilizaformatoarecu hysterezis (figura 2.28). Dacinformaiapreluatdinprocesreprezintstareaunorcontacte,n structuraEPPintrcircuitepentrufiltrareaoscilaiilorprodusedatorit imperfeciunii acestora (figura 4.32). Oalternativlafiltrareahardwareoreprezintfiltrareasoftware,prin introducereaunorbucledentrzierenrutinelecareprelucreazinformaia furnizat de contacte. FormatorUUi UeUit tUeUimaxUiminUiFig. 2.28. Formarea impulsurilor n cadrul EPP. t RVcc Rt UeVcc Ue Ue Fig. 2.29.Schem pentru filtrarea oscilaiilor mecanice. Achiziia i prelucrarea datelor 49 n urma prelucrrii primare semnalele numerice sunt aplicate MUXN, care pebazauneiadreseprimitedelabloculdecomandBCvaselectacanalulal crui coninut urmeaz a se nscrie n registrul tampon RT comandat tot de ctre blocul de comand BC. LarealizareaSADN,oproblemimportantoreprezintizolarea attfademediulexternctifadecalculator,osoluielargutilizatfiind cuplarea optic. 2.3.4. Probleme ce privesc conectarea interfeelor la proces Performanele unui SADA sunt nemijlocit legate de maniera n care acesta este conectatlaproces.Dupcums-avzut,nstructuraSADAintrelementelede jonciune care trebuie sprezinte o rezistende contact ct mai mic. Legatdeconectareasistemuluideinterfalaprocessepunurmtoarele probleme: - rejecia erorilor de mod comun; - reducerea zgomotului indus n circuitele de intrare; - realizarea unei mpmntri corespunztoare . Eroriledemodcomunapardatoritfaptuluicpotenialulmasei traductoruluidiferdepotenialulmaseiSADA,nsituaiancaretraductorul este conectat printr-un singur fir (figura 2.30) Dinfigura2.30seobservcVin=Vs+Vg,Vgfiind neglijabildactraductorul i SADA au punctele de masapropiate. IntructncondiiiindustrialeVgpoatefideordinulzecilorsauchiar sutelordeV,oconectaredetipulceleidinfig.5.49nuesteposibildectn condiiidelaborator.nindustrieseutilizeaznexclusivitateconectarea diferenial, prezentat n figura 2.31. Lamodulideal,conectareadiferenialestecaracterizatdeegalitatea tensiunilorVgiVin.nrealitate,datoritdistribuiilorneuniformeale SADATraductor VgVsVinFig. 2.30Eroarea de mod comun n cazul conectrii monofilare: GndSGndT Achiziia i prelucrarea datelor 50 impedaneiiizolaieiliniilordetransmisie,ntreceledoutensiuniapar diferene cunoscute sub numele de erori de mod comun. Pentrudeterminareaacestora,dinmotivelegatedesimplificarea calculelorseutilizeaznloculuneischemecuparametriidistribuii,schema echivalentcuparametriiconcentraidinfig.5.51.Prinaplicareateoremei superpoziiei, n condiiile pasivizrii sursei Vs se obine: V(R R R R ) RR (R R )(R R ) R R (R R ) R R (R R )Vin1 g 2 2 g1 S2 g 2 1 g1 2 g 2 1 g1 1 g1 2 g 2cm= + + + + + +S.(2.15) Ordinele de mrime pentru rezistenele care intervin n relaia (2.25) sunt: pnla1 kpentru R1 i R2 , zeci de M pentru Rs i sute de M pentru Rg1 i Rg2, astfel nct se poate aprecia cR2Rg2