Интерфейсы и периферийные устройства ЭВМ

Запоминающие, вычислительные и логические возможности ЭВМ останутся бесполезными, если она не соединена с каким-либо другим устройством или аппаратом. Такие соединения осуществляются с помощью интерфейсов. В соответствии с объектом, с которым связаны ЭВМ, интерфейсы можно подразделить на несколько типов:

1. ЭВМ→ЭВМ; межмашинная связь

2. Оператор→ЭВМ; передача команд

3. ЭВМ→оператор; передача информации

4. Датчик→ЭВМ; ввод данных

5. ЭВМ→исполнительный механизм; управление

Ниже мы рассмотрим каждый тип интерфейсов и ту роль, которую они играют в применении ЭВМ в биохимической технологии. Однако прежде чем обратиться к изучению конкретных интерфейсов, следует отметить, что как приборное обеспечение интерфейсов, так и программное управление ими не стандартизованы; поэтому различные ЭВМ, периферийные устройства и датчики в общем случае нельзя соединять в произвольном порядке. Всегда следует предварительно убедиться в том, что соединяемые блоки и устройства имеют совместимые характеристики на входе и выходе.

Важность межмашинной связи типа ЭВМ—ЭВМ определяется тем обстоятельством, что ЭВМ имеют разные стоимость и возможности. Наибольшая эффективность при наименьших затратах достигается путем использования ЭВМ с минимальными возможностями, обеспечивающими решение основной задачи, в то время как более мощные ЭВМ следует привлекать только в тех случаях, когда возникает потребность в решении более сложных задач, в более быстром решении той же задачи или в хранении большего количества информации. На рис. 14 представлен один из вариантов классификации уровней сложности расчетов при проектировании, разработке и оптимизации процессов биохимической технологии. Первый, самый низкий уровень сложности (задачи такого уровня сложности обычно решаются с помощью микро-ЭВМ) включает отображение на дисплее и хранение в памяти машины данных о параметрах биотехнологического процесса, а регулирование этих параметров на таком уровне осуществляется с помощью обычной системы обратной связи.

На втором уровне, когда необходим более детальный анализ данных и дальнейший диалог оператора с ЭВМ, можно работать с мини-ЭВМ. На этом же уровне можно выполнять расчеты, необходимые в случае более сложных алгоритмов управления.

РИС. 14. Функции, выполняемые ЭВМ, в зависимости от их уровня сложности. Уровни 1, 2 и 3 приблизительно соответствуют микро-ЭВМ, мини-ЭВМ и большой ЭВМ соответственно. (Воспроизведено с разрешения из статьи: Valentini L, Andreoni F., Buvoli M., Pennella P., A Computer System for Fermentation Research: Objectives, Fulfillment Criteria and Use, in Computer Application1OQO Fermentation Technology, p. 175, Society of Chemical Industry* London, 1982.)

Функции первого и в очень большой степени второго уровней выполняются в реальном масштабе времени, т. е. ввод информации или команды в ЭВМ и подача сигнала (на основе этой информации) на регулирующее устройство происходят практически одновременно. На высшем (третьем) уровне для решения сложных модельных уравнений, определения параметров модели на базе полученных данных, разработки более совершенных методов управления и оптимизации может использоваться большая ЭВМ. При этом информация поступает от ЭВМ первого и второго уровней, но результаты не обязательно будут получены в реальном масштабе времени. Целью этих расчетов может быть планируемое в будущем совершенствование режима процесса.

Связь между компьютером и оператором (диалог) может осуществляться в различных формах. Для этой цели применяются цифровые измерительные приборы, дисплеи на электронно-лучевых трубках, печатающее устройство, графопостроитель, а в последнее время искусственная речь. Информация на дисплее, печатающем устройстве или графопостроителе представляет собой текст или график, выполненный в одном или нескольких цветах. Часто оператор вводит информацию в ЭВМ с помощью клавиатуры, которая связана с ЭВМ непосредственно (в случае терминала) или посредством клавишного перфоратора. Другие способы ввода информации оператором включают переключатели, сенсорные экраны и устройство ввода координат («мышь»). Движение «мыши» по твердой поверхности передает движение курсору на экране дисплея. Широко изучаемые в настоящее время устройства, узнающие речь человека, уже сейчас позволяют передавать некоторые команды голосом. Ввод предварительно записанных программ или данных осуществляется с помощью одного из описанных выше периферийных запоминающих устройств.

Удобство и гибкость связи между оператором и ЭВМ в сочетании со способностью ЭВМ хранить и обрабатывать огромное количество данных можно выгодно использовать в биотехнологии и других отраслях промышленности в нескольких направлениях. Во-пёрвых, данные о ходе процесса, состоянии системы и регулирующих устройств могут быть сообщены оператору в четкой и эффективной форме, что в свою очередь дает ему возможность гораздо внимательнее и детальнее следить (в соответствии с его командами) за теми или другими конкретными характеристиками процесса. Во-вторых, сигналы тревоги и контрольные сигналы ЭВМ могут обратить внимание оператора на существующие и только что возникшие отклонения и неполадки. Наконец, оператор обладает очень большими возможностями в подборе параметров регулирующих устройств, а при необходимости и в замене алгоритмов или даже конструкции таких устройств.

Существующие нормы и правила обычно предписывают сбор и хранение детальной информации о каждом периодическом процессе, связанном с производством лекарственных препаратов. Применение ЭВМ значительно облегчает решение этой задачи и работу по подготовке отчета о процессе. Если аппараты, участвующие в каком-либо процессе, связаны с ЭВМ, то это значительно ускоряет и облегчает сбор данных о расходе питательных веществ и энергии, времени каждой операции, выходах продуктов и других величинах и параметрах, необходимых для проведения исследовательских и конструкторских работ, для руководства всем предприятием, а также для обеспечения максимальной экономической эффективности производства. Одни только преимущества, связанные с хранением необходимой информации и составлением отчетов, послужили достаточным основанием, чтобы несколько фармацевтических компаний сочли экономически целесообразным контролировать ход процессов с помощью ЭВМ.

Тип применяемого интерфейса датчик — ЭВМ зависит от определяемого параметра и природы сигнала датчика. Некоторые важные переменные процесса имеют только два состояния— «включено» и «выключено». Это относится, в частности, к работе насосов, компрессоров, клапанов. Такие переменные ЭВМ считывают непосредственно в цифровой форме. В цифровой форме в ЭВМ могут передаваться также данные об импульсе, генерируемом тахометром или массовым расходомером при данной скорости вращения вала или заданной массе. Соответствующие скорости затем определяют путем подсчета числа импульсов в единицу времени.

С помощью многих детекторов контролируют параметры, изменяющиеся непрерывно в определенном диапазоне величин. В таких случаях помимо аналогового измерительного устройства устанавливают аппаратуру для измерения изменения сигнала детектора (силы тока или напряжения) во времени и регистрации результатов измерений на диаграммной бумаге с помощью самописца или для передачи сигнала электронному регулятору. Аналоговые сигналы вводятся в вычислительную машину с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Обычно аналоговый сигнал детектора аналитической аппаратуры должен быть соответствующим образом согласован, т. е. преобразован, усилен или ослаблен, а иногда сигнал силы тока преобразован в сигнал напряжения; только после этого аналоговый сигнал подается в аналого-цифровой преобразователь, принимающий его в заданном диапазоне величин. Разрешение аналогового сигнала непосредственно связано с количеством содержащейся в нем информации. Если цифровой сигнал содержит п битов, то диапазон поступающего аналогового сигнала будет разделен преобразователем на 2ⁿ дискретных поддиапазонов.

На рис. 15 представлена схема лабораторной системы сбора данных на основе микро-ЭВМ. Как мы уже указывали, выходные аналоговые сигналы О₂- и СО₂-анализаторов адаптируют до поступления в аналого-цифровой преобразователь. Интересно отметить, однако, что здесь сигнал (напряжение), генерируемый детектором па растворенный кислород, вводится непосредственно в усилитель, минуя какое-либо промежуточное устройство или блок считывания показаний.

РИС. 15. Схема газоанализатора на основе микро-ЭВМ. Здесь символами КГ-1 и КГ-2 обозначены градуировочные газы (с повышением и снижением концентрации соответственно), которые можно время от времени вводить вместо анализируемого газа, отходящего из биореактора. Этим переключением может управлять ЭВМ с помощью реле с втяжным сердечником (Р-1 и т. д.). [Воспроизведено с разрешения из статьи: Forrest Е. Н., Jarisen N. В., Flickinger М. е., Тзао G. Т., А Simple Hobby Computer-Based Off-Gas Analysis System; Biotech. Bioeng., 23, 455 (1981).]

Изменяя некоторые функции аналоговых и контрольно-измерительных приборов, можно реализовать все рассмотренные выше возможности микро-ЭВМ и с меньшими затратами получить те же данные, что и с помощью традиционного набора аналоговых приборов.

Для введения в ЭВМ нескольких аналоговых сигналов использовались два подхода. В первом из них для ввода каждого сигнала применяется свой аналого-цифровой преобразователь (обычно в одном блоке АЦП имеется несколько таких приборов). В другом подходе может использоваться сканирующее устройство с несколькими реле (релейный мультиплексор), которое путем переключения выбирает определенный сигнал и передает его единственному аналого-цифровому преобразователю. Первый подход за счет нескольких АЦП обеспечивает более высокую скорость выборки и считывания каждого аналогового сигнала. В последнее время аналитическую аппаратуру все чаще снабжают цифровыми выходами, обычно в виде двоичного цифрового сигнала, который может быть непосредственно введен в ЭВМ.

Интерфейсы типа ЭВМ—исполнительный механизм аналогичны только что рассмотренным интерфейсам измерительная аппаратура—ЭВМ. Цифровые выходные сигналы включают и выключают реле и шаговые двигатели. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) направляют исполнительным механизмам сигналы, соответствующие численным величинам выходных сигналов ЭВМ. На рис. 16 приведена схема соединений и интерфейсов в системе ЭВМ—пилотная установка. Хотя по сложности и сфере применения обе системы существенно отличаются друг от друга, основные блоки, потоки информации и сигналов в системе ЭВМ—пилотная установка и микро-ЭВМ—газовый анализатор (рис. 15) очень близки.