«Автоматизация физического эксперимента»

«Автоматизация
физического эксперимента»
доц. Певцов Е.Ф.,
каф. ФКС МИРЭА
лекции по курсу
IX семестр 2014 г.
Литература:
Основная:
1.
Тревис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. 4-е издание / Пер. с англ.
Клушин Н.А. – М.: ДМК Пресс, 2011. - 544 с.
2.
Бссонов А.С. Технологии прогаммирования последовательных
интерфейсов семейства RS-232 в измерительных системах: Учебное
пособие / МГТУ МИРЭА – М., 2011. – 144 с.
3.
Суранов А.Я. LabVIEW 8.20: справочник по функциям. – М.: ДМК
Пресс, 2007. - 512 с.
4.
Автоматизация физических исследований и эксперимента:
компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе
LabVIEW 7/ Под. ред. Бутырина П.А. – М.: ДМК Пресс, 2005. - 264 с.
5.
Пейч Л.И., Точилин Д.А., Поллак Б.П. LabVIEW для новичков и
специалистов. – М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 384 с.
Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. LabVIEW для
6.
радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора.
Практическое руководство для работы в программной среде
LabVIEW. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 400 с.
7.
Загидуллин Р.Ш. LabVIEW в исследованиях и разработках. – М.:
Горячая линия - Телеком, 2005. - 352 с.
8.
Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. – СПб.: Питер,
2003. – 528 с.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
2
http://www.eks.fel.mirea.ru/PhCMIndex/PhysCMStudy/Notification/AvtoPhysExp/Avt
Not.htm
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
3
Дополнительная литература:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
ГОСТ 26.003-80 Система интерфейса для измерительных устройств с байт-последовательнм
и бит-параллельным обменом информацией.
Индришенок В.И., Кузнецов В.В., Певцов Е.Ф. Изучение архитектуры и основ
программирования микроконтроллеров // Методические указания по выполнению
лабораторных работ. Московский государственный институт радиотехники, электроники и
автоматики (технический университет). М.: 2003, 32 с.
Певцов Е.Ф., Смирнов Н.А. Проектирование цифровых схем на основе ПЛИС // Методические
указания по выполнению лабораторных работ. Московский государственный институт
радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). М.: МИРЭА 2006, 32 с.
www.xilinx.com
Вальпа О.Д. Разработка устройств на основе цифровых сигнальных процессоров фирмы
Analog Devices с использованием Visual DSP+. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 270 с.
Давитадзе С.Т., Певцов Е.Ф. Основы проектирования схем с цифровыми сигнальными
процессорами // Методические указания по выполнению лабораторных работ. Московский
государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический
университет). М.: МИРЭА 2006, 32 с.
Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Общая метрология. – М.:ИПК Издательство стандартов, 2001. –
272с.
Гребнев В.В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы ATMEL. М.:ИП РадиоСофт, 2002. –
176с.
Тарасов И.Е. Разработка цифровых устройств на основе ПЛИС Xilinx® с применением языка
VHDL. – М.:Горячая линия-Телеком, 2005. – 252с.
Основы цифровой обработки сигналов: Курс лекций / Авторы: А.И. Солонина, Д.А.
Улахнович, С.М. Арбузов, Е.Б. Соловьева, И.И. Гук. – СПб.:БХВ-Петербург, 2003. – 608с.
Гайдышев И. Анализ и обработка данных: Специальный справочник – СПб.: Питер, - 2001. –
752 с.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
4
Примерные варианты заданий для самостоятельной работы :
1. Автоматизированный стенд сбора данных на основе осциллографа С9-8 и платы NIGPIB/USB.
2. Стенд для управления работой источника питания по интерфейсу RS-232,
обеспечивающий задание напряжения по синусоидальному закону.
3. Автоматизированный стенд для измерений вольт-фарадных характеристик p-n
перехода на основе измерителя RLC и платы NI-GPIB/PCI.
4. Устройство для ввода данных от двухкоординатного датчика ускорений по
интерфейсу RS-232.
5. Интерфейс для программирования транспаранта «летящая строка».
6. ..9 Макет демонстрации основных схем фильтров на основе ОУ (АЧХ и ФЧХ) на базе
лабораторного стенда NI ELVIS и встроенных функций LabView.
10. Проект автоматизации установки для определения ширины запрещенной зоны
полупроводников.
11. Проект автоматизации лабораторного стенда ЭПР.
12. Проект автоматизации лабораторного стенда ЯМР.
13. Проект автоматизации лабораторного стенда регистрации сегнетоэлектрического
гистерезиса.
14. Устройство сбора данных от микроконтроллера с интерфейсом RS-232.
15. Тактовый генератор на основе ПЛИС.
16. Цифровой термометр на основе МК AVR и цифрового датчика температуры.
17. Полосовой цифровой фильтр на основе ADSP.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
5
Основные термины и определения
Эксперимент – (от лат. Experimentum - опыт) общенаучный метод получения
в контролируемых и управляемых условиях новых знаний о причинноследственных отношениях между явлениями и процессами.
Физический эксперимент - способ познания природы, заключающийся в
изучении природных явлений в специально созданных условиях. В отличие от
теоретической физики, которая исследует математические модели природы,
физический эксперимент призван исследовать саму природу.
Обычные цели эксперимента:
- проверка гипотез, (критериальный эксперимент);
- проверка адекватности модели, описывающей поведение объекта
(исследовательский эксперимент);
- определение значений параметров, характеризующих объект наблюдений.
Несогласие с результатом эксперимента является критерием ошибочности
физической теории, или более точно, неприменимости теории к нашему миру.
Обратное утверждение неверно: согласие с экспериментом не может быть
доказательством правильности (применимости) теории. То есть главным
критерием жизнеспособности физической теории является проверка
экспериментом. Интерпретация результатов более-менее сложного
эксперимента неизбежно опирается на то, что у нас есть понимание, как
ведут себя все элементы экспериментальной установки. Такое понимание, в
свою очередь, не может не опираться на какие-либо теории.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
6
Экспериментальный метод включает в себя теоретическую и
практическую подготовку эксперимента:
•
•
•
•
•
•
•
формулирование гипотезы;
постановку вопроса;
выдвижение познавательной задачи;
создание экспериментальной установки или
экспериментального оборудования;
проведение эксперимента в необходимых исследователю
условиях;
фиксация результатов, проведение нужных измерений;
анализ данных эксперимента, описание открытого явления и
его свойств, формулирование научного вывода или положения.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
7
Планирование эксперимента :
(6 вопросов, которые нельзя оставить без ответа):
1.
Какова цель действий (для чего?);
2.
Каков объект действий (что?) статистические
характеристики измеряемого физического сигнала для
получения истинного значения измеряемого параметра;
3.
Метод действий (как?);
4.
Средства действия (чем?);
5.
Достоверность достижения результатов (с какой
точностью цель может быть достигнута?)
метрологические характеристики измерительного канала (от
первичного преобразователя измеряемого параметра до
зафиксированного в памяти ЭВМ его цифрового эквивалента);
6.
Имеющиеся или дополнительно необходимые ресурсы
(какова цена наших действий?).
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
8
Общие черты экспериментов:
1.
2.
3.
4.
Целенаправленность,
т.е. следует четко представлять что исследуется;
Воспроизводимость
т.е. в тех же условиях результаты должны повторяться (даже в
разных лабораториях);
Контролируемость,
т.е. экспериментатор должен иметь возможность изменить ход
проведения эксперимента (управлять им или обеспечить
безопасность себя и других);
Элементы эксперимента:
1) объект,
2) экспериментатор,
3) средства экспериментальных исследований:
- имеют ограниченную точность;
- имеют конечное быстродействие;
- могут вносить ошибки (всегда вносят).
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
9
Два основных вопроса и 10 самых красивых
экспериментов:
?? ^
1) Чтобы понять как устроен физический мир, нужно
запомнить все?
2) Откуда мы знаем и почему мы уверены в том,
что все это действительно так?
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
12
Два основных вопроса и 10 самых красивых экспериментов:
1) Чтобы понять как устроен физический мир, нужно запомнить все?
Бесконечное многообразие фактов вытекает из очень небольшого
количества базовых принципов, и современная физика ставит себе
целью построить единую теорию, которая включала бы в себя всего
несколько уравнений (в идеале — одно), описывающих все известные
и правильно предсказывающих новые физические факты.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
13
2) Откуда мы знаем и почему мы уверены в том, что все это
действительно так?
?? ^
Эксперимент — ключ к пониманию мироздания. Примерно к XVI—XVII векам
сложился принцип физического познания природы, который до сих пор
состоит на вооружении у науки :
Явление→Гипотеза→Предсказание→Эксперимент→Теория.
Для объяснения какого-либо природного явления физики формулируют
гипотезу, которая могла бы это явление объяснить.
На основании гипотезы делают предсказание, которое, в общем случае,
представляет собой некоторое число. Последнее проверяют
экспериментально, производя измерения.
Если число, полученное в результате эксперимента, согласуется с
предсказанным, гипотеза получает ранг физической теории. Чрезвычайно
важен тот факт, что результаты эксперимента, так же как и предсказания
физической модели, не качественные, а представляют собой набор самых
обыкновенных чисел и сравнение вычисленных и измеренных
результатов — вполне однозначная процедура. Благодаря этому
физический эксперимент смог стать ключом, открывающим путь к
пониманию мироздания.
В противном случае все возвращается на вторую стадию: формулируется
новая гипотеза, делается новое предсказание и ставится новый
14
Певцов
Е.Ф.
«Автоматизация
физического
эксперимента»
-14
лекция
#1
эксперимент.
1. Эратосфен Киренского: измерения радиуса
Земли ок.200 д.н.э.
Один из самых древних известных физических
экспериментов, в результате которого был
измерен радиус Земли, был проведен в III
веке до нашей эры библиотекарем знаменитой
Александрийской библиотеки Эрастофеном
Киренским.
В полдень, в день летнего солнцестояния, в
городе Сиене (ныне Асуан) Солнце
находилось в зените и предметы не
отбрасывали тени. В тот же день и в то же
время в городе Александрии, находившемся в
800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось
от зенита примерно на 7°. Это составляет
около 1/50 полного круга (360°), откуда
получается, что окружность Земли равна 40
000 километров, а радиус 6300 километров.
Измеренный столь простым методом радиус
Земли оказался всего на 5% меньше значения,
полученного самыми точными современными
методами.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
15
Галилео Галилей: формулировка законов механики (ок. 1620 г.)
2. Скорость падения тела не зависит от его массы.
3. Тела под действием силы тяжести движутся ускоренно.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
16
Генри Кавендиш: определение значения
гравитационной постоянной и массы
Земли 1798 г.
4. Кавендиш измерял смещение коромысла с
двумя шариками, подвешенное на очень
тонком шнурке (поворот крутильных весов
) при приближении к шарикам весов других
шаров большей массы. Для увеличения
чувствительности смещение определялось
по световым зайчикам, отраженным от
зеркал, закрепленных на шарах
коромысла. В результате этого
эксперимента Кавендишу удалось
довольно точно определить значение
гравитационной константы и впервые
вычислить массу Земли.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
17
Исаак Ньютон: дисперсия света,
1672 г.
5. На пути солнечного луча,
проходящего через щель в
ставнях, была поставлена
призма, а за призмой — экран.
На экране Ньютон наблюдал
"радугу": белый солнечный луч,
пройдя через призму,
превратился в несколько
цветных лучей — от
фиолетового до красного. Т.е.
излучение Солнца есть
суперпозиция излучений разных
цветов, например, корпускул,
скорость движения которых в
разных средах различна.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
18
Жан Бернар Фуко :
доказательство вращения
Земли и измерение скорости
вращения, 1851 г.
6. С помощью 67-метрового
маятника, подвешенного к
вершине купола парижского
Пантеона. Плоскость
качания маятника сохраняет
неизменное положение по
отношению к звездам.
Наблюдатель же,
находящийся на Земле и
вращающийся вместе с ней,
видит, что плоскость
вращения медленно
поворачивается в сторону,
противоположную
направлению вращения
Земли.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
19
Томас Юнг: волновая природа света,
1801 г.
7. Опыты с лучом света, который
проходил через два отверстия в
непрозрачном экране, образуя,
таким образом, два независимых
источника света, аналогичных двум
брошенным в воду камням. В
результате он наблюдал
интерференционную картину,
состоящую из чередующихся
темных и белых полос, которая не
могла бы образоваться, если бы
свет состоял из корпускул. Темные
полосы соответствовали зонам, где
световые волны от двух щелей гасят
друг друга. Светлые полосы
возникали там, где световые волны
взаимоусиливались. Таким образом
была доказана волновая природа
света.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
20
Клаус Йонссон: доказательство корпускулярноволновой природы элементарных частиц,1961
8. Вместо лучей света Йонссон использовал пучки
электронов. Он получил интерференционную
картину, аналогичную той, что Юнг наблюдал для
световых волн. Это подтвердило правильность
положений квантовой механики о смешанной
корпускулярно-волновой природе элементарных
частиц.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
21
Роберт Милликен: дискретность электрического
заряда, измерения величины заряда электрона,
1909-1913 гг.
9. Милликену удалось изолировать в пространстве
несколько заряженных капелек воды между
пластинами конденсатора. Освещая
рентгеновскими лучами, можно было слегка
ионизировать воздух между пластинами и изменять
заряд капель. При включенном поле между
пластинами капелька медленно двигалась вверх
под действием электрического притяжения. При
выключенном поле она опускалась под действием
гравитации. Включая и выключая поле, можно было
изучать каждую из взвешенных между пластинами
капелек в течение 45 секунд, после чего они
испарялись. Заряд любой капельки всегда был
целым кратным фундаментальной величине е
(заряд электрона). Первое измеренное значение
заряда электрона: е = (4,774 ± 0,009)х10-10
электростатических единиц.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
22
Эрнест Резерфорд: экспериметальное
доказательство планетарной модели атома,
1909 г.
10. Тяжелые положительно заряженные а-частицы,
движущиеся со скоростью 20 км/с, проходили
через тонкую золотую фольгу и рассеивались на
атомах золота, отклоняясь от первоначального
направления движения. Чтобы определить
степень отклонения, с помощью микроскопа
наблюдали вспышки на пластине
сцинтиллятора, возникавшие там, где в пластину
попадала а-частица. За два года было сосчитано
около миллиона вспышек и доказано, что
примерно одна частица на 8000 в результате
рассеяния изменяет направление движения
более чем на 90° (то есть поворачивает назад).
Такого никак не могло происходить в "рыхлом"
атоме Томсона. Результаты однозначно
свидетельствовали в пользу так называемой
планетарной модели атома — массивное
крохотное ядро размерами примерно 10-13 см и
электроны, вращающиеся вокруг этого ядра на
23
расстоянии около 10-8 см.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
Автоматизация эксперимента –
комплекс средств и методов для ускорения сбора и обработки
экспериментальных данных, интенсификации использования
экспериментальных установок, повышения эффективности
работы исследователей.
Характерной особенностью автоматизации эксперимента
является использование ЭВМ, что позволяет:
• собирать, хранить и обрабатывать большое количество
информации,
• управлять экспериментом в процессе его проведения,
• обслуживать одновременно несколько установок,
• и т.д.
Первые попытки автоматизации эксперимента возникли в 1950-е
в исследованиях, связанных с физикой :
•
в физике элементарных частиц,
•
термоядерных,
•
космических и медико-биологических исследованиях,
•
в геофизике,
•
радиоастрономии и т. п.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
24
Общие принципы, обеспечивающие эффективность
автоматизированные системы (АС) экспериментальных
исследований:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ или АС)
представляют собой неразрывную совокупность аппаратных,
программных и алгоритмических средств.
Основная задача: обеспечение максимума экспериментальной
информации при заданных ограничениях (по времени, по затратам и
т.д.).
Повышенные требования к быстродействию АС, (поскольку такие
системы предназначены для быстрого получения и анализа данных и
быстрого принятия решений)
Высокая надёжность АС, возможность длительной безотказной
работы, (что связано с увеличением стоимости современных
экспериментальных установок).
Простота эксплуатации АС и использование готовых
унифицированных блоков.
Необходимость предварительного планирования исследований и
разработка возможных вариантов.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
25
Общие принципы, обеспечивающие эффективность автоматизированные
системы (АС) экспериментальных исследований (продолжение):
7.
8.
9.
10.
Гибкость АС, допускающая изменение её структуры и состава в
процессе работы.
Возможность коллективного обслуживания различных установок.
В АС должен быть предусмотрен диалоговый режим работы, когда
осуществляется непосредственная связь человека с системой с
помощью специального языка и средств интерфейса.
В АС необходима простая и быстрая система контроля. (Для
контроля системы в целом обычно вводят некоторый
синтетический критерий, характеризующий работу системы в
среднем. Таким критерием может быть результат измерения
известной величины: если полученные значения находятся в
допустимых пределах, то состояние системы считается
удовлетворительным).
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
26
Типовая структура автоматизированной системы:
Типовая система автоматизации эксперимента включает:
• компьютер, управляющий процессом
• устройство сопряжения (УС), служащее для согласования между
компьютером и исследуемыми объектами
• стандартный интерфейс для соединения ПК и УС
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
27
Типовая структура автоматизированной системы:
аналого-цифровые преобразователи (АЦП), служащие для преобразования
входных аналоговых сигналов в цифровой вид;
•
цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), предназначенные для
преобразования цифрового кода в аналоговые сигналы (временное изменение
напряжения или тока);
•
запоминающие устройства, служащие для записи отсчетов входного
оцифрованного сигнала, применяются для исследования быстропротекающих
процессов;
•
согласующие усилители, предназначенные для усиления входных сигналов до
уровня, необходимого для качественного преобразования в АЦП;
•
многоканальный аналоговый коммутатор;
•
интерфейсная схема, осуществляющая согласование цифровых устройств УС со
стан-дартным портом ввода-вывода компьютера.
Система должна выполнять следующие функции:
•
прием различных сигналов, как правило в аналоговой форме, с исследуемых
объектов;
•
выдачу на исследуемые объекты управляющих воздействий (в виде
дискретных и непрерывных сигналов);
•
преобразование аналоговых сигналов в цифровые и обратно;
•
прямую и обратную передачу данных в цифровом виде через стандартный
интерфейс;
•
обработку информации в компьютере;
•
визуализацию информации в удобном для экспериментатора виде.
•
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
28
Основными характеристиками УС можно считать:
• разрядность АЦП и погрешность преобразования;
• быстродействие АЦП (время преобразования и частота дискретизации);
• наличие и объем буферной памяти;
• разрядность ЦАП и погрешность;
• быстродействие ЦАП;
• тип интерфейса для подключения к компьютеру.
Данные об исследуемом объекте от специальных датчиков измеряемых величин поступают в виде
электрических сигналов на измерительную аппаратуру, которая состоит из следующих
компонентов:
Канал измерения:
•
защищённые от помех линии передачи,
•
усилители,
•
преобразователей аналоговой информации в цифровую и т. д,
.
Канал обмена
•
интерфейс - сопрягающее устройство для соединения различных блоков АС с ЭВМ и
передачи цифровой информации к ЭВМ.
Обработка данных
•
производится в центральном процессоре и все больше непосредственно в «умных» или
smart-датчиках, в котором имеется устройство, где временно хранятся данные и программы, т.н. оперативное запоминающее устройство.
•
долговременная память ЭВМ или в др. ЭВМ с большей производительностью.
Автоматическое управление экспериментом :
•
Контур обратной связи: обработанные центральным процессором данные и команды
управления передаются на измерительную аппаратуру (рис.1)
29
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
Варианты лабораторного эксперимента:
В режиме "реального масштаба времени", или "в линию" (on-line).
ЭВМ, получая от системы данные, обрабатывает их и выдаёт результаты
настолько быстро, что их можно использовать для воздействия на
систему (или объект исследования).
Смешанный режим:
часть данных обрабатывают в реальном времени и используют для
контроля и управления, а основной массив данных с помощью ЭВМ
записывают на долговременный носитель и обрабатывают после
окончания сбора данных.
Полностью автоматизированная обработка данных
только в рутинных исследованиях по уточнению некоторых констант,
когда вся процедура обработки, все поправки уже известны
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
30
Математическое (программное) обеспечение АС
разрабатывают на основе:
•
математических методов теории информации,
•
анализа данных
•
оптимальных статистических решений.
Математическое обеспечение на алгоритмическом уровне практически
не связано с конкретным типом ЭВМ, а определяется
особенностями исследования.
Важно разработать такое математическое обеспечение, которое, с
одной стороны, было бы адекватно выполняемым исследованиям,
а с другой не было бы слишком сложным.
При создании нового программного обеспечения следует учитывать, что
наиболее эффективным является такое распределение труда, при
котором программисты разрабатывают общие программы,
имеющие чёткое математическое обоснование и не слишком
связанные
с
особенностями
конкретного
исследования.
Специальные программы должны разрабатывать исследователи,
ибо они лучше всего знают особенности исследования, которые к
тому же заранее обычно нельзя строго формализовать.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
31
Машинный (вычислительный) эксперимент: расчёт математической
модели явления, построенной на основе научной гипотезы.
Если в основу модели положена строгая теория, то машинный
эксперимент оказывается просто расчетом.
В тех же случаях, когда система становится настолько сложной, что
невозможно учесть все связи, приходится создавать упрощенные
модели системы и проводить машинный эксперимент.
В любом случае не может служить доказательством истинности
модели, поскольку в его основу положена гипотеза, которую можно
проверить только при сопоставлении результатов моделирования с
экспериментами на реальном объекте. Компьютерный (численный)
эксперимент — это эксперимент над математической моделью
объекта исследования на ЭВМ, который состоит в том что, по одним
параметрам модели вычисляются другие ее параметры и на этой
основе делаются выводы о свойствах объекта, описываемого
математической моделью. Данный вид эксперимента можно лишь
условно отнести к эксперименту, потому как он не отражает
природные явления, а лишь является численной реализацией
созданной человеком математической модели. При некорректности
математической модели, ее численное решение может быть строго
расходящимся с физическим экспериментом
Однако роль машинного эксперимента иногда очень важна, ибо в
результате можно отбросить заведомо ложные варианты, либо
сравнить по тем или иным критериям различные варианты
подлежащих исследованию процессов.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
32
Магистрально-модульная
автоматизированная система:
При практической реализации АС каналы измерения выполняют в виде
отдельных электронных блоков, связанных с каналом обмена ЭВМ.
Поэтому любое изменение в структуре АС (изменение числа каналов,
замена датчиков или ЭВМ), практически неизбежное при
исследованиях, требует существенных переделок аппаратуры.
Выходом служит магистрально-модульная система, состоящая из легко
заменимых блоков и унифицированной магистрали.
Магистралью (общей шиной) называется система электрических линий
передачи, единообразно соединяющих различные блоки (модули) АС.
Смысл унифицированной магистрали заключается в том, что её можно
использовать многократно, создавая из отдельных модулей
различные варианты АС, при этом для АС нужен только один
интерфейс, называемый интерфейсом канала обмена.
Каналы измерений соединяются с шиной через простые, но также
унифицированные интерфейсы. У АС появляется требуемая
гибкость: исчезает ограничение на число каналов измерений, при
замене ЭВМ нужно заменить лишь один интерфейс.
Для обеспечения такой структуры АС необходим стандарт на общую
шину, её интерфейс и конструкцию блоков.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
33
Первым таким стандартом стала система КАМАК (САМАС, Computer Application for
Measurement and Control), разработанная в 1969 Европейским комитетом
стандартов ядерной электроники.
Первой ступенью в системе КАМАК является крейт (каркас), в который вставляют
электронные блоки (рис.2).
На задней панели крейта имеется шина обмена. Вся измерительная аппаратура АС
размещается в блоках. В функциональный блок информация поступает в виде
команд и данных с шины обмена и в виде сигналов от датчиков через
переднюю панель.
В крейте могут разместиться 23 функциональных блока и специальный блок,
называемый контроллером, обеспечивающий связь с каналом обмена ЭВМ.
Крейты можно объединять в ветвь, содержащую до 7 крейтов (рис. 3). Контроллеры
крейтов подключают к каналу ветви, который через специальный интерфейс,
называемый драйвером ветви, соединяется с каналом обмена ЭВМ.
Ветвь позволяет разнести крейты и ЭВМ на десятки метров. Для АС,
распределенных на большие расстояния, существует последовательный
канал КАМАК, позволяющий связывать до 62 крейтов. Последовательный канал
связан с каналом обмена ЭВМ через специализированный интерфейс,
называемый последовательным драйвером.
Эффективность использования систем КАМАК обусловлена их гибкостью,
возможностью быстрой перестройки и наращивания системы в процессе
изменения программы исследований, причём возможна такая организация
работы крейта (и ветви), при которой система обслуживает сразу несколько
экспериментов.
Недостаток системы КАМАК - малая скорость передачи данных и сложность
сведения в систему нескольких процессоров.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
34
Современные эксперименты: максимальная автоматизация
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
35
Разработка и выпуск дешёвых микропроцессоров позволяют создавать
Многопроцессорные системы
Примеры:
FASTBUS и EUROBUS (аналоги КАМАК).
Измерительно-вычислительные комплексы,
состоящие из многоцелевой экспериментальной установки и
подсистемы автоматизации и вычислительной техники.
В таких АС особенно важна организация пульта управления и
контроля, который оказывается иногда единственным каналом связи
между исследователем и изучаемым объектом. Пульт должен быть
оборудован клавишным управлением и двумя (или несколькими)
дисплеями.
небольшие установки с малым числом датчиков для
которых магистрально-блочные АС оказываются излишне сложными.
Для таких установок удобно использовать автономные
микропроцессоры и запись результатов на стандартные носители.
Иногда передают результаты по линиям связи на центральную ЭВМ
(т. н. локальные вычислительные сети).
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
36
Три примера систем сбора и обработки данных при
автоматизации физического эксперимента:
1. Система с последовательным интерфейсом и
микроконтроллерами.
2. Система с внешними приборами, управляемыми через
стандартные интерфейсы GBIB и RS-232.
3. Полностью автономный прибор с интерфейсом для
записи результатов обработки данных.
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
37
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
38
Программа управления:
3 основных модуля:
1. программа управления работой;
2. программа микроконтроллера (на языках ассемблер и С):
• тактирующие и управляющие сигналы;
• запись в буферную память;
• чтение данных через сom-порт;
• управление (запуск, стоп) через сom-порт;
3. программа обработки результатов (шаблон С++ dataview);
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
39
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
40
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
41
Измерительная камера
В7-Э42
USB
USB
PCI
Элемент
Пельтье
NI USB
9215
NI USB
9211
Термопара
PCI
Бустерный
усилитель
ЦАП
GPIB
Источник
питания
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
42
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
43
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
44
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
47
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
48
Певцов Е.Ф. «Автоматизация физического эксперимента» -14 лекция #1
50