научная статья по теме СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ»

Теория и принципы построения

датчиков, приборов и систем

УДК 681.586:004.68

СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

И. О. Марченко

Описана общая схема создания интеллектуальных датчиков. Дано определение реконфигурируемого интеллектуального датчика. Проанализирована задача проектирования реконфигурируемых интеллектуальных датчиков. Раскрыты составляющие системы проектирования реконфигурируемых интеллектуальных датчиков. Ключевые слова: реконфигурируемый интеллектуальный датчик, система проектирования, схема системы проектирования.

ВВЕДЕНИЕ

Современные измерительные системы состоят из множества компонентов с высоким использованием информационных и вычислительных ресурсов, а определение "интеллектуальный датчик" является уже устоявшимся и стандартизованным [1]. Тенденция последних лет — рост вычислительной мощности и функциональной насыщенности интеллектуальных датчиков, когда усложняется сам процесс их создания. Это утверждение справедливо как для аппаратной, так и для программной составляющей интеллектуальных датчиков (ИД).

Для упрощения проектирования ИД предлагается использовать унифицированную реконфигуриру-емую платформу. Возможность работы датчиков в разных условиях с разным назначением обеспечивается при этом заменой конфигурационных параметров внутреннего программного обеспечения (ПО) реконфигурируемого ИД. Основным вопросом при этом становится инструментальное обеспечение разработки ИД. К сожалению, данной проблеме уделяется крайне мало внимания. Между тем, растущая сложность проектируемых систем требует как унифицированного подхода, так и обеспечения инструментами проектирования. Так, в [2] от-

мечается актуальность создания инструментальных средств разработки ИД. Задача проектирования рекон-фигурируемых ИД ставится также в работе [3].

Данная статья посвящена обзору общих принципов построения и организации системы проектирования реконфигурируемых интеллектуальных датчиков.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Реконфигурируемый интеллектуальный датчик — это ИД, который может быть переконфигурирован для использования с другими первичными преобразователями и в других условиях применения без изменений его аппаратной и программной составляющих.

Термин "реконфигурируемый" означает, что эта особенность является ключевой, характеризующей датчик, способный работать в разных условиях, и жизненный цикл которого может не ограничиваться одной измерительной задачей.

Следует отметить, что согласно [1, 5] адаптивный датчик — это датчик, параметры и/или алгоритмы работы которого могут изменяться в процессе эксплуатации в зависимости от сигналов содержащихся в нем преобразователей. Другими словами, понятие адаптивного датчика

входит в понятие реконфигурируе-мого.

Важным аспектом реконфигу-рируемого датчика является неизменность его основного вычислительного и программного ядра. Изменчивость обеспечивается с помощью редактирования конфигурационных параметров.

СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

Целью проектирования системы разработки реконфигурируемых интеллектуальных датчиков является создание многофункционального ИД, сконфигурированного под свои конкретные условия и назначения применения. Система состоит из нескольких подсистем, представляющих в своей совокупности комплекс средств аппаратного, программного, методического и организационного характера (см. рисунок). При этом в качестве одной из составляющих этой системы в нее входит также многофункциональный реконфигурируемый ИД.

Если расширить определение интеллектуального датчика, данного в [4], многофункциональный ИД предназначен для измерения нескольких величин с учетом характеристик окружающей среды и выполнения при этом каких-либо допол-

2

Эепвогв & Эувгетв • № 2.2012

Объекты измерения Система калибровки и проверки первичных преобразователей Система конфигурирования TEDS

Ч и

Интеллектуальный датчик

Первичные преобразователи

МК, Память, АЦП, ЦАП, Интерфейс

Объекты управления

Система проектирования интеллектуальных

датчиков г — — —тт— — — — Программа

конфигурирования I

Блок конфи-гурацион-ных параметров

Обобщенный алгоритм Интерфейс пользователя

Представление характеристик и зависимостей Библиотека мастер-программ

Информационно-измерительная система

_ J

Информационная система: • паспортные данные • графики зависимостей в числовом виде

Система разработки программ для новых версий интеллектуальных датчиков

Система испытания датчиков

Системы проектирования реконфигурируемых интеллектуальных датчиков

нительных функций, таких как: преобразования (измерительные), информационных, конфигурирования, контроля и прогнозирования, самодиагностики, управления. В максимальном варианте предполагается, что имеются объекты измерения и объекты управления.

Необходимо отметить, что многофункциональный ИД, хотя и способен работать в автономном режиме, вообще говоря, предназначен для использования в составе информационно-измерительной системы, и часть его функционала направлена на интеграцию с разными информационно-измерительными системами. Наличие стандартных интерфейсов связи служит той же самой цели. Сама же информационно-измерительная система — это система верхнего уровня, использующая данные от интеллектуального датчика, предназначенные для контроля и управления. Типичный пример — современная 8СЛБЛ-система.

К основным составляющим интеллектуального датчика относится ядро и блок первичных преобразователей. Блок первичных преобразователей может иметь различный состав — все определяется назначением конкретного проектируемого интеллектуального датчика. Сам конструктив интеллектуального датчика таков, что имеется набор стандартных входов для подключения первичных преобразователей различных типов. Таким образом, достигается инвариантность конструк-

ции относительно состава используемых преобразователей. Ядро ИД включает в себя микроконтроллер, память, АЦП, ЦАП, интерфейсы для взаимодействия с системой конфигурирования и информационно-измерительными системами. Ядро интеллектуального датчика функционирует под управлением специальной мастер-программы. Эта программа одинакова для всех экземпляров и работает на основе одной архитектуры микроконтроллера. Различия между разными архитектурами микроконтроллера сводятся к учету особенностей организации памяти и ввода/вывода в данной архитектуре микроконтроллера.

Мастер-программа имеет два режима функционирования — "измерительный" и "конфигурирования". "Измерительный" режим является основным. В этом режиме программа работает с учетом заданной датчику конфигурации: числа каналов, типов и характеристик используемых преобразователей, основного уравнения преобразования датчика, других сконфигурированных функций датчика. Эта конфигурация задается для датчика в режиме "конфигурирования". Здесь в датчик записывается конфигурационный блок, полностью описывающий функционал, характеристики и параметры датчика. Блок конфигурационных параметров формируется и записывается с помощью системы конфигурирования интеллектуальных датчиков.

Система конфигурирования интеллектуальных датчиков занимает центральное место в общей картине проектирования и использования многофункциональных реконфигурируемых ИД. Процесс конфигурирования ИД осуществляется программой, реализующей несколько концепций. Первая концепция — это удобный пользовательский интерфейс, позволяющий оператору задавать параметры проектируемого ИД. При этом не требуется слишком высокая квалификация. Интерфейс специально спроектирован так, чтобы можно было удобно задавать нужное число каналов, характеристики первичных преобразователей, уравнение преобразования датчика, функциональность датчика.

Вторая концепция — использование обобщенного уравнения [6] для задания уравнения преобразования датчика. В обобщенное уравнение входят измерительная, корректировочная, калибровочная и временная части. Таким образом, уравнение учитывает необходимую коррекцию показаний в зависимости от условий окружающей среды, калибровочных данных конкретных первичных преобразователей, долговременной стабильности преобразователей и датчика. Третья концепция состоит в числовом задании зависимостей используемых первичных преобразователей. Сюда включаются основная и влияющая зависимости преобразователей, а также их калибровочные характеристики. Все эти зависимости представляются в числовом виде и хранятся в информационной системе. Для представления зависимости в числовом виде в самом интеллектуальном датчике применен специальный формат хранения данных, основанный на стандарте IEEE 1451 (TEDS) [7].

Четвертая концепция заключается в использовании отдельного хранилища версий мастер-программ для разных архитектур микроконтроллеров, используемых в проектируемых многофункциональных интеллектуальных датчиках. Сами мастер-программы разрабатываются в системе разработки программы для новых версий интеллектуальных датчиков.

Все параметры ИД собираются в конфигурационный блок, который полностью описывает функционал и характеристики экземпляра датчика. Конфигурационный блок содержит следующие группы параметров: идентификационные параметры датчика и используемых первичных преобразователей, калибровочные и влияющие характеристики первичных преобразователей, запись обобщенного уравнения интеллектуального датчика с учетом его характеристик, функционал и конкретные параметры по задействованным функциям из всех шести групп функций. Вместе с использованием единой мастер-программы становится возможным в широких пределах менять функциональность и характеристики одного и того же образца датчика.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ПОДСИСТЕМЫ

Для всех первичных преобразователей, применяемых в интеллектуальном датчике, в целях хранения их характеристик, идентификационных и других параметров используются электронные таблицы TEDS. Обычно в современных первичных преобразователях для хранения идентификационных данных используется память TEDS. Однако до сих пор процент таких датчиков среди общего числа был невысок. Поэтому вне зависимости от наличия TEDS в применяемом первичном преобразователе для хр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»