Măsurări Electrice și Electronice

Cap.1. STADIUL ACTUAL AL CERCETARILOR ÎN DOMENIUL SISTEMELOR ELECTRONICE DE MASURARE CU APARATURA PROGRAMABILA

1.1. CONSIDERATII GENERALE

În acest capitol se analizeaza stadiul actual al sistemelor electronice de masurare cu aparatura programabila si se încearca o anticipare a eventualelor evolutii posibile ale domeniului hardware în viitorul apropiat.

Se prezinta în lucrare, pe lânga procesoare specializate pentru masurari, si procesoare de uz general, deoarece acestea din urma pot fi utilizate si în diverse aplicatii de masurare automata. Cele mai importante structuri sunt prezentate în subcapitolul 1.2, grupând în câteva paragrafe (microprocesoare bit-slice, microprocesoare single-chip pe 8/16/32/64 biti, microcontrolere, procesoare numerice de semnal, transputere si alte structuri paralele) varietatea procesoarelor care ar putea avea aplicabilitate în masurari, desi ele au fost concepute pentru alte scopuri. În subcapitolul 1.3 sunt prezentate câteva structuri reprezentative de aparate de masura cu microprocesoare precum si magistralele standard de comunicatie. Subcapitolul 1.5. trece în revista sistemele de achizitie de date (SAD) cuplate la calculator.

[Mill80] arata ca orice proces de masurare contine urmatoarele elemente principale:

- masurandul, sau marimea de masurat;

- metoda de masurare;

- aparatul de masurat;

- etalonul.

Daca marimea de masurat ramâne neschimbata în timp, dezvoltarea stiintei contribuind numai la cresterea multimii masuranzilor, celelalte trei elemente ale procesului de masurare au cunoscut transformari majore pe diverse trepte de dezvoltare tehnologica a societatii. Elementul cel mai dinamic dintre toate este aparatul de masurat. Perfectionarea lui continua produce modificari si asupra celorlalte elemente ale procesului de masura, respectiv metoda de masurare si etalonul.

Dupa cum se arata în [Pop83] sau [Cret86], în domeniul masurarilor electrice si electronice, aparatele de masurat au trecut prin urmatoarele etape de dezvoltare:

- aparate de masurat analogice;

- aparate de masurat numerice;

- aparate de masurat numerice, cu microprocesor;

- placi de achizitie de date cuplate la calculator PC.

O etapa noua nu exclude automat una anterioara ei. Exista înca numeroase aparate de masurat analogice sau numerice care afiseaza marimea masurata fara a o prelucra. Separarea ultimelor doua etape din clasificarea propusa este desigur discutabila. Aparate de masurat numerice, cu microprocesor de uz general sau specializat, care comunica prin interfete standard cu un calculator central constituie solutia moderna de realizare a unui sistem descentralizat. Acesta permite supravegherea unui mare numar de senzori, respectiv trimiterea unui mare numar de comenzi cu viteza si precizia impusa de proces. Descentralizarea permite eliberarea calculatorului central de o serie de sarcini care sunt lasate în seama subsistemelor periferice. Prezenta microprocesorului în fiecare aparat de masura periferic îi atribuie acestuia o "inteligenta" locala, deci posibilitatea de a achizitiona informatie din proces, de a o prelucra si, la nevoie, chiar de a lua decizii în limitele programelor continute de fiecare unitate. Evident ca deciziile majore sunt luate de calculatorul central care supervizeaza activitatea unitatilor locale. Aceasta structura duce în esenta la cresterea flexibilitatii sistemului si a capacitatii lui de a raspunde la rezolvarea unor sarcini complexe de masurare, comanda si reglare. Deja putem vorbi de o prelucrare paralela a informatiei în sistem.

Cercetarile efectuate au pus în evidenta ca folosirea placilor de achizitie de date cuplate la calculator, PC sau statie de lucru, reprezinta solutia actuala si de perspectiva în masurari ([Adva92], [Anal93], [Cybe94], [Hous93], [Nati94]). În multe aplicatii numarul de parametri masurati este redus si se poate folosi o structura de sistem centralizat cu un PC. Nimic nu ne împiedica sa folosim la nevoie si o structura descentralizata în care un PC sa fie pe post de subsistem periferic local. Trebuie facuta însa o analiza competenta asupra aplicatiei pentru a evita o risipa de resurse hardware. Oricum, aceasta etapa nu contravine conceptului de structura descentralizata.

Separarea ultimelor doua etape de dezvoltare a aparatelor de masurare se poate face si din punct de vedere software. Aparatul de masurat numeric cu microprocesor contine un software specializat, cu posibilitate de elaborare a unor decizii logice la stabilirea unor conditii determinate. Programele sunt înscrise de regula într-o memorie PROM si ele realizeaza functionarea independenta a aparatului cu afisaj numeric si protocolul de comunicatie pe o magistrala standard cu alte aparate similare sau cu un calculator. Pentru ultima etapa exista numeroase pachete de software performant, cu largi posibilitati de achizitie, prelucrare a datelor si afisare a rezultatelor, aducând în plus posibilitatea comportarii adaptive în raport cu modificarea unor parametri ai procesului de masurare sau de realizare a unor sisteme de masurare cu autoinstruire.

Metoda obisnuita de rezolvare a unei probleme stiintifice presupune întotdeauna o paradigma care constituie cadrul general de abordare al fenomenelor, problemelor si solutiile din domeniul respectiv([Minc95]). Ne punem problema daca actuala paradigma a domeniului hardware în sistemele de masurare asigura cadrul corespunzator pentru evolutia viitoare a domeniului.

Necesitatea de gasire a unei noi paradigme într-un domeniu al unei stiinte apare atunci când anumite probleme specifice acelei stiinte provoaca o criza care trimite la interogatia necesitatii schimbarii. Noua paradigma, care rezolva temporar situatia de criza a unui domeniu, trebuie sa permita rezolvarea tuturor problemelor momentului pornind de la baze ferme si de o maniera sistematica. Ea poate modifica orizontul predeterminat care limiteaza si selecteaza modul de întelegere a lucrurilor, având un caracter anticipativ, la fel ca inovatia.

Motivele care ar putea duce la schimbare în domeniul masurarilor pot fi viteza si precizia. Dar cât de oportuna este schimbarea paradigmei în acest domeniu? Un posibil raspuns, valabil pentru sistemele numerice în general, este oferit de autorul lucrarii [Stef91].

Odata cu aparitia microprocesoarelor, functiile ce depaseau un anumit grad de complexitate erau implementate prin software. Resursele hardware erau simplificate si optimizate la limita în timp ce programele se structurau tot mai complex, cu doua consecinte: cresterea costului programarii si obtinerea unor performante de viteza tot mai slabe. A aparut astfel o situatie de criza, care a determinat doua mutatii foarte importante:

- a aparut un sens din perspectiva hardware al conceptului de paralelism;

- functii curent realizate prin software au migrat catre implementarea prin hardware, tendinta sprijinita de dezvoltarea spectaculoasa a tehnologiilor VLSI.