емых электронных измерительных приборов. Он ориентирован на сопряжение устройств, располагаемых относительно друг друга на расстоянии до 20 м. Обеспечивает унификацию конструктивных, электрических и функциональных характеристик независимо изготовленных приборов, что создает возможность сопряжения их, организации измерительной системы. Интерфейс позволяет иметь в системе приборы различной сложности, допускает прямой обмен информацией между ними, дистанционное и местное управление приборами. Описываемый интерфейс [15, 25, 45] относится к магистральным.

Структура и принцип действия интерфейса. На рис. 3.2 показана схема интерфейса. Он представляет собой шестнадцатилинейную двунаправленную пассивную систему связи, называемую магистралью (каналом общего пользования - КОП), к которой можно подключить параллельно до 15 приборов (и в том числе контроллер). Функционально линии, образующие магистраль, группируются в три шины: данных, согласования передачи и общего управления.

Конструктивно интерфейс состоит из кабеля, разъемов и печатных плат. Функция кабеля заключается в параллельном соединении всех устройств между собой. Оно осуществляется таким образом, что данные от конкретного устройства могут передаваться либо одному, либо нескольким другим устройствам, входящим в систему. Печатные платы, с помощью которых производится обмен информацией, называются интерфейсными картами (ИКАР). В последнее время их выпускают также в виде БИС.

Рассмотрим состав и назначение каждой из трех шин.

Шина данных (Data Bus) состоит из восьми линий, обозначаемых DIO (Data input/output) с соответствующим номером линии, например DI03, или ЛД (линия данных) - соответственно ЛДЗ. По этим линиям осуществляется обмен информацией бит-парал-

Устройство d

(только принимающее)

Устройство с

(только передающее)

Устройство В (передающее и принимающее)

Устройство Л (передающее, принимающее, управляющее)

бит 1 бит о

бит О

Рис. 3.3

лельным, байт-последовательным способом. Иначе говоря, по восьми линиям передаются данные в форме параллельных битов (рис. 3.3,а) и последовательных байтов (рис. 3.3,6). Шина данных служит для передачи (приема) основных данных: результатов измерений, адресных, программных, управляющих данных и данных состояний.

Обмен информацией может происходить между передающими ( говорящими ) приборами, принимающими ( слушающими ) приборами или между контроллером и подчиненными приборами. По характеру взаимодействия модулей с шиной стандарт разделяет их на четыре группы: устройство-контроллер, устройство передающее и принимающее, устройство только передающее, устройство только принимающее (рис. 3.2).

Каждое устройство, имеющееся в составе системы (измерительный прибор, контроллер, вспомогательный модуль), должно выполнять, по крайней мере, одну из функций: быть говорящим слушающим или управляющим. Данные от говорящего устройства передаются через шину к другим устройствам, например к слушающему устройству, принимающему информацию говорящего . Некоторые устройства могут выполнять обе функции, как, например, программируемый мультиметр, который принимает управляющие команды, как слушающий прибор, и передает результаты измерений (данные) в качестве говорящего прибора. Особенность интерфейсной шины такова, что одновременно может работать несколько слушающих приборов, но только один - говорящий .

Назначение управляющего устройства - контроллера - организация взаимодействия модулей системы. Команды контроллера указывают адрес модуля, какой модуль должен передавать данные, а какой - принимать, а также характер и последовательность выполнения других операций. Вычислительный контроллер, который строится на основе микропроцессора, выполняет следующие функции: определяет программу измерений, задает согласно ей виды измерений определенным приборам, управляет процедурой из-

мерений, интерпретирует их результаты. В составе измерительной системы, объединяемой интерфейсом, может быть устройство, способное и говорить , и слушать , и управлять. Таким устройством является микро-ЭВМ.

Итак, линии DIO (1 ...8) или ЛД (1 ...8)-линии ввода-вывода данных, образующие шину данных, - служат для передачи информации, представляющей собой цифровые данные, адреса модулей и многолинейные универсальные команды.

Шина согласования передачи (Data byte transfer control bus), которую иначе называют шиной синхронизации, объединяет три линии (рис. 3.2), обозначаемых DAV (Data valid) или СД (сопровождение данных), NRED (Not ready for data) или ГП (готов к приему) и NDAC (Not data accepted) или ДО (данные приняты). По этим линиям передаются сигналы согласования, подтверждающие соответствие состояний приборов, что необходимо для обмена информацией, т. е. управления передачей каждого байта информации по шине данных от контроллера или говорящего прибора к одному или нескольким слушающим приборам. Эти сигналы иногда называют квитирующими (от слова квитанция).

Важной характеристикой интерфейса является вид обмена данными между модулями: синхронный или асинхронный. Первый вид позволяет получить высокую скорость обмена, если все модули, объединяемые интерфейсом, имеют примерно одинаковое быстродействие (это условие редко выполнимо). Интерфейс МЭК рассчитан на асинхронный обмен информацией.

Для асинхронного обмена основополагающей является процедура установления соответствия. Она предполагает управляемую передачу сигналов, подтверждающих взаимное соответствие состояний приборов, участвующих в информационном объеме (метод квитирования). Возможны два варианта организации указанной процедуры. Сущность первого варианта заключается в следующем: когда завершена подготовка данных для передачи, говорящий прибор устанавливает флаг (сигнал готовности данных) и ждет готовности слушающего прибора, который должен принять эти данные. При втором варианте первоначально устанавливает флаг слушающий прибор, что свидетельствует о его готовности принять сообщение и ожидании готовности говорящего прибора к передаче. В интерфейсе МЭК принят второй вариант установления соответствия.

Названия линий, образующих шину согласования передачи, определяются передаваемыми по ним сигналами. Линия DAV (достоверность информации) служит для сигнала, указывающего на наличие, достоверность информации на шине данных, или, иначе, для установления флага только говорящего прибора. По линии NRFD (не готов к приему информации) устанавливается флаг готовности только слушающего прибора; она является общей для всех принимающих приборов. Линия NDAC (информация не принята) предназначена для передачи сигнала-квитанции слушающих приборов: наличие низкого уровня напряжения на ней свидетельст-

354 65

вует, что самый медленно действующий из слушающих приборов еще не принял информации.

Шина общего управления (General interface management bus attention) состоит из пяти линий (см. рис. 3.2). По ним передаются управляющие сигналы, которые циркулируют между контроллером и другими приборами, подключенными к интерфейсу. Кратко охарактеризуем функцию каждой линии.

Линия, обозначаемая ATN (Attention - внимание) или УП (управление), отведена для команды, посылаемой контроллером. Наличие такой команды (низкий уровень напряжения на линии) определяет, что все остальные устройства переходят в режим ожидания и только контроллер является говорящим прибором. При этом по шине данных передаются адреса или универсальные многолинейные команды. Когда на линии устанавливается высокий уровень напряжения, то говорят или слушают те приборы, адреса которых были переданы за время противоположного состояния линии.

По линии, обозначаемой IFC (Interface clear - очистка интерфейса) или ОИ передается сигнал контроллера, приводящий схему интерфейса и все приборы в начальное состояние. Эта команда, используемая при запуске интерфейса и устанавливающая низкий уровень напряжения в линии, прекращает передачи информации по шине данных.

Линия, обозначаемая SRQ (Service request - запрос на обслуживание) или 30, является общей для всех приборов и переходит в состояние, характеризуемое низким уровнем напряжения, когда какой-либо из приборов, подключенных к интерфейсу, посылает в контроллер сигнал запроса на обслуживание, т. е. требует прерывания текущего обмена в магистрали и приоритетного обслуживания данного прибора контроллером.

Назначение линии, обозначаемой REN (Remote enable - разрешено дистанционное управление) или ДУ (дистанционное управление),-передача контроллером сигналов программного управления приборами. Когда по команде в линии устанавливается низкий уровень напряжения, приборы переключаются с местного управления (с передней панели) на дистанционное.

Линия, обозначаемая EOI (End of identify - конец обработки, конец идентификации) или КП (конец передачи), служит для посылки команды, указывающей окончание передачи сообщений по шине данных. Низкий уровень напряжения, устанавливающийся на линии синхронно с передачей последнего байта данных, сигнализирует о том, что данных больше нет. Если низкий уровень напряжения устанавливается контроллером при параллельном опросе, то конец передачи интерпретируется как идентификация.

Интерфейсные функции. Каждому прибору, который входит в состав системы, объединенной интерфейсом, присущи три вида функций: приборные, кодирования информации и интерфейсные. Приборные функции - это вид параметров, измеряемых данным прибором, диапазон измерений, режим работы прибора и т. п. Они

задаются разработчиком, который учитывает вопросы сопряжения и выбирает сигналы из номенклатуры интерфейса. Кодирование информации выполняется в соответствии с регламентированными кодами и форматами [9]. Третий вид функций рассматривается ниже более подробно.

Интерфейсные функции - это совокупность типовых операций, выполняемых при обмене данными в системе, организованной интерфейсом. Каждая интерфейсная функция, осуществленная в приборе, позволяет ему принимать, передавать сообщения или выполнять определенную обработку их. Взаимодействие соединенных шинами приборов достигается в результате выполнения десяти интерфейсных функций, пять из которых относят к основным, а еще пять - к дополнительным. Раскроем сущность интерфейсных функций, указав их символические обозначения (в скобках - обозначения на русском языке).

Основные функции:

1. Прием данных L (П) или расширенный (от нескольких источников) прием данных LE (ПР). Эта функция позволяет прибору получить данные, переданные через интерфейс другим приберем. Такая возможность осуществляется тогда, когда контроллер или местный входной сигнал только прием (получаемый с передней панели) задают интерфейсную функцию приема.

2. Согласование прибора-приемника АН (СП)-функция квитированного обмена со слушающим прибором, гарантирующая правильный прием информации.

3. Передача информации источником Т (И) или расширенная передача ТЕ (ИР) -функция, позволяющая говорящему прибору передавать через интерфейс формируемые им данные другим; приборам, подключенным к интерфейсу. Подобная возможность осуществима тогда, когда контроллер или местный входной сигнал только передача задают интерфейсную функцию передачи.

4. Согласование прибора-передатчика SH (СИ) - функция квитированного обмена с говорящим прибором, гарантирующая правильную передачу информации.

5. Контроллер С (К) -функция, дающая возможность прибору передавать другим приборам, подключенным к интерфейсу, адреса и универсальные команды (если в системе с интерфейсом несколько устройств имеют функцию С (К), то все они, за исключением одного, называемого действующим контроллером, должны находиться в состоянии холостой ход контроллера ).

Дополнительные функции:

1. Запрос на обслуживание SR (3) -функция, которая позволяет прибору запрашивать у контроллера операции по обслуживанию (например, опрос).

2. Дистанционное и местное управление RL (ДМ) - функция создающая для данного прибора возможность получать программирующую информацию либо с его передней панели (местное управление), либо от интерфейса (дистанционное управление).

3* 6

3. Параллельный опрос РР (ОП) - функция, позволяющая прибору выдавать ответную информацию при параллельном опросе в контроллер без предварительной команды передача информации .

4. Очистка прибора DC (СБ) -функция установки прибора в исходное состояние.

5. Запуск прибора DT (ЗП)-функция, создающая возможность контроллеру выдавать прибору команду начала работы (основной или запрограммированной).

Приведенные десять интерфейсных функций гарантируют полное и гибкое управление измерительной системой. Они позволяют приборам, входящим в систему, принимать, обрабатывать и передавать информацию. С помощью этих функций достигается сочетание работы прибора по его прямому назначению с регламентом (протоколом) работы интерфейса.

Характеристики интерфейса МЭК. Они довольно многочисленны. Здесь приводятся лишь основные из них:

1. Общая длина - до 20 м.

2. Число подключаемых модулей - не более 15.

3. Общее число приемников и источников информации не должно превышать 31 при однобайтовой и 961 при двухбайтовой адресации.

4. Интерфейс гарантирует:

работу модулей на расстоянии до 20 м при максимальной скорости передачи 250 ООО байтов в секунду с эквивалентной стандартной нагрузкой через каждые 2 м и использования возбудителя с открытым коллектором. Входной ток-не менее 48 мА;

работу модулей на расстоянии до 20 м при максимальной скорости передачи 500 ООО байтов в секунду, со стандартной нагрузкой через каждые 2 м и использовании возбудителя на три состояния. Входной ток - не менее 48 мА;

работу модулей при максимальной скорости 1 ООО ООО байтов в секунду при использовании возбудителя на три состояния с входным током не менее 48 мА. Максимальное расстояние между двумя соседними модулями 1 м (например, при 10 модулях, работающих на расстоянии 10 м, возможна скорость передачи 1 000 000 байтов в секунду).

Для достижения максимальных скоростей обмена сообщениями необходимо использовать в модуле буферный накопитель байтов сообщений.

5. Высокому уровню напряжения в Линии соответствует значение напряжения, равное или больше 2 В, а низкому уровню - значение, равное или меньше 0,8 В.

6. Минимальная и максимальная продолжительности перехода от одной интерфейсной функции к другой регламентированы для конкретных интерфейсных функций. Например: минимальная продолжительность процесса установления для многоканальных сообщений не менее 2 мкс (интерфейсная функция С); минимальная продолжительность выполнения параллельного опроса - не менее 68

2 мкс (интерфейсная функция С); максимальная продолжительность реакции на сигнал в линии ATN - не более 200 мс (интерфейсные функции SH, АН, TL).

7. Электрические требования к разъему: номинальное напряжение 150 В; номинальный ток 1 А; сопротивление изоляции - более 1 ГОм; рабочий диапазон частот - до 3 МГц.

8. Конструктивные требования к разъему: число контактов 24; число сочленений и расчленений (характеристика износоустойчивости) 500; сечение монтажного привода 0,2 мм.

Сопряжение приборов со стандартным интерфейсом. Если при конструировании измерительного прибора с встроенными микропроцессором планируется возможность его работы в системе с интерфейсом, то должна быть проработана схема сопряжения внутренних кодовых шин прибора. Ее можно построить, используя значительное количество стандартных интегральных микросхем малой и средней систем интеграции (40-50 логических схем), что усложняет разработку и удорожает прибор. Более эффективна и экономична специализированная БИС для сопряжения приборов со стандартным интерфейсом [28]. Она позволяет осуществить изложенные выше интерфейсные функции.

Структурная схема, иллюстрирующая включение указанной БИС, приведена на рис. 3.4. Как видно из схемы, измерительный прибор и БИС сопряжения обмениваются квитирующими сигналами, причем имеют место две операции квитирования (одна между измерительным прибором и БИС, другая - между БИС и внешним интерфейсом МЭК). Если прибор может передавать или принимать информацию в течение интервала времени, не превышающего периода тактового сигнала, то необходимость в сигналах квитирования отпадает и для правильной работы интерфейса шины передачи информации соединяют непосредственно. Наличие инвертирующих буферных схем обусловлено тем, что все интерфейсные ло-

О

о> о

Команда управления /1- ЛВибором

Sj--

Квитирование

обмена с получателем информации

Квитирование

обмена с источником информации

о а

2 S

5 t 1ё S-

о ш

л

Шина управления \/>-

согласования /t передачи

Интерфейсные сообщения

Шина данных

Инвертирующие буферные схемы

Магистраль интерфейса

1£

Цифровой мультиметр

И

Объект исследования

Цифровой частотомер

Печатающее устройство и дисплей

Рис. 3.5

гические сигналы БИС имеют положительную полярность, а у всех логических сигналов интерфейса МЭК полярность отрицательная.

Пример измерительной системы на основе интерфейса МЭК.

Изображенная на рис. 3.5 структурная схема представляет сравнительно простой вариант измерительной системы [25]. В ее составе приборы и устройства, выполняющие различные функции.

Программируемый измерительный генератор - слушающий прибор. От интерфейса он только принимает адрес и команды, определяющие программу его работы, но данных в интерфейс не посылает. Слушающими устройствами являются также печатающее устройство и дисплей, фиксирующие, отображающие результаты измерений. В эти устройства из интерфейсной магистрали поступают адреса, данные измерений, команды. Цифровой мультиметр и цифровой частотомер- приборы и слушающие , и говорящие . Они получают адреса и команды из интерфейса и передают в него данные измерений напряжения, тока, сопротивлений резисторов (мультиметр), частоты и интервалов времени (частотомер) .

Работой системы управляет контроллер, с которым связаны его периферийные устройства, например клавиатура. Он может осуществлять обработку данных, полученных результатов измерений.

В начальный момент по команде IFC (очистка интерфейса), посылаемой контроллером, интерфейсные части всех приборов системы устанавливаются в исходное состояние. Следующая команда REN переводит приборы в режим дистанционного управления (возврат к местному управлению возможен в любой момент и выполняется по соответствующей команде контроллера или по внутренней приборной команде). Управление системой сводится главным образом к передаче адресов и команд, поступающих из контроллера (при низком уровне напряжения в линии ATN). Его основная задача - указание адресов говорящих и слушающих приборов для обмена данными между ними. После формирования конкрет-

ного адреса контроллер деблокирует шины выбранного говорящего прибора (установив высокий уровень напряжения в линии ATN), в результате чего создается возможность осуществления интерфейсной функции SH этого прибора - передачи данных от него выбранному слушающему прибору. По окончании передачи данных возобновляется управляющая функция контроллера: он может формировать очередной адрес прибора и команды. Контроллер может также активно участвовать в обмене данными, выполняя роль говорящего прибора (передача программных данных) или слушающего прибора (прием данных измерений).

Интерфейс позволяет проводить параллельный иди последовательный опрос абонентов системы (независимо от описанного процесса ее функционирования). Цель опроса - обнаружение таких ситуаций внутри системы, которые требуют определенных действий. При последовательном опросе контроллер, получив соответствующее требование, формирует команду SRQ (вызова прибора на обслуживание) и устанавливает вид обслуживания. Подобный опрос может быть программируемым, т. е. проводиться согласно соответствующей подпрограмме контроллера, обращение к которой определяется появлением требования на обслуживание. Параллельный опрос проводится независимо от поступления заявок на обслуживание.

3.5. РОЛЬ МИКРОПРОЦЕССОРОВ в СИСТЕМЕ

С ИНТЕРФЕЙСОМ

Как уже отмечалось, работой измерительных систем, выполняемых на основе стандартного интерфейса, управляют контроллеры. Их подразделяют на три вида: ручные, специализированные и программируемые. Функции контроллеров первых двух видов сравнительно просты. Более сложные задачи решают контроллеры третьего вида, которые подразделяются в свою очередь на две разновидности: контроллер без обработки данных и контроллер, выполняющий обработку данных [25].

Программируемые контроллеры, рассчитанные на обработку данных, помимо осуществления обычных функций управления выполняют также определенные логические и математические операции, необходимые для анализа данных измерений, их обработки по выбранной программе, принятия решений, определяющих поведение отдельных приборов или измерительной системы в целом. Подобные контроллеры представляют собой, как правило, адаптивные (приспосабливающиеся) устройства. Их строят на основе микропроцессоров. Часто роль программируемого контроллера с обработкой данных выполняет микро-ЭВМ.

В измерительных приборах, содержащих микропроцессорные системы, с помощью последних возможно управление осуществлением интерфейсных функций. Такое использование внутриприбор-ной микропроцессорной системы особенно целесообразно при большом числе интерфейсных присоединений и сложности операции со-

пряжения. Однако организация микропроцессорного управления интерфейсом требует хорошо обоснованного выбора микропроцессора (прежде всего по быстродействию и возможности прерывания), детального анализа функционирования интерфейса, а также рационального программирования работы микропроцессорной системы. В [25] подчеркивается, что при осуществлении интерфейса с микропроцессором нельзя руководствоваться общими соображениями. В каждом конкретном случае должны быть учтены реализуемые интерфейсные функции, характеристики применяемых приборов и микропроцессоров, элементная база и т. п.

Глава четвертая.

ЦИФРОВЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ

4.1. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Прежде чем рассматривать принципы построения и работу современных цифровых частотомеров, необходимо остановиться на определении понятий частота и средняя частота периодического сигнала.

В частотоизмерительной технике основополагающей характеристикой периодического сигнала является период. Поэтому начать следует с его определения.

Периодом Т периодического сигнала называют наименьший интервал времени, через который регулярно последовательно повторяется произвольно выбранное мгновенное значение u{t) периодического сигнала. С математической точки зрения это интерпретируется так: период Т - наименьший интервал времени, удовлетворяющий уравнению u(t + iT)=u{t), где i - любое целое число.

Частота f периодического сигнала - физическая величина, значения которой представляют обратные значения периода этого сигнала. Соотношение между значениями частоты и периода определяется известной формулой f=\/T.

Отношение числа п периодов периодического сигнала к интервалу времени At, за которой сосчитано это число, дает среднее (за интервал значение частоты, называемое обычно средней частотой периодического сигнала. На практике чаще всего находят среднюю частоту, хотя экспериментаторы обычно принимают такой результат ее измерения за значение частоты периодического сигнала.

Методы измерения частоты многообразны. В современной измерительной технике доминирующее положение занимает метод дискретного счета, на основе которого строят цифровые (электронно-счетные) частотомеры. Этот метод обладает многими достоинствами. К ним относятся: очень широкий диапазон значений частот, которые можно измерить одним прибором (например, 10 Гц . . . ... 32 ГГц); высокая точность измерений; получение отсчета в циф-