23 февраля 2016г.
В статье с позиций системно-исторического аспекта исследования развития технических систем рассматривается роль принципа историзма в определении этапов, современного состояния, условий изменяемости и адаптации автоматизированных измерительных комплексов и стандартов, лежащих в основе их функционирования. Показан один из подходов использования принципа историзма для учета изменяемости, способности к развитию и расширению стандартных интерфейсов измерительных систем и комплексов.
Усложнение технических устройств, особенно радиоэлектронных комплексов, происходящее от поколения к поколению, приводит к необходимости в процессе их разработки, производства, испытаний и эксплуатации контролировать десятки и сотни параметров и характеристик. При этом все чаще требуется получать результаты измерений с высокой точностью. Еще в 50-х годах прошлого столетия было выяснено, что эффективность контроля и измерений большого числа параметров достигается только при автоматизации процессов измерений и обработки их результатов. Раньше автоматизированные системы предназначались для "грубого" контроля и назывались автоматизированными системами контроля. В настоящее время они решают задачи контроля с выраженными измерительными функциями и обычно называются автоматизированными измерительными комплексами (АИК).
Последние четыре–пять десятилетий непрерывно возрастала потребность в автоматизированной контрольно-измерительной аппаратуре (КИА) в различных отраслях промышленности, в том числе и в телекоммуникационной сфере. Высокие требования к производительности, надежности, метрологическим характеристикам, необходимость уменьшения габаритов и массы, снижения стоимости заставляли разработчиков и изготовителей КИА объединять усилия в развитии традиционных и поиске новых технологий построения современных унифицированных средств измерения в модульном исполнении.
Одной из первых разработанных модульных технологий создания унифицированных средств измерения для научного приборостроения была система КАМАК.
Магистральный интерфейс КАМАК (CAMAC – Computed Aided for Measurement, Automation and Control) разработан комитетом по стандартам в области ядерной электроники (ESONE, США) в 1968 году. В стандарте КАМАК формулировались требования к функциональным модулям по электрической, конструктивной и информационной совместимости.
С точки зрения развития технологии стандартных интерфейсов автоматизированных измерительных комплексов КАМАК представляет собой первую в мире магистрально–модульную (функционально-модульного типа) агрегатную систему, предназначенную для связи измерительных устройств с цифровой аппаратурой обработки данных. Цель разработки – применение в физике элементарных частиц для автоматизации экспериментов. Утвержден стандартом IEEE 583 в США и ГОСТ 26.201-80, 26.201.1-94 и 26.201.2-94 в СССР и России. Стандарт КАМАК – это функционально-модульная система агрегатного типа, объединенная единым магистральным интерфейсом и едиными конструктивными параметрами [1]. Предназначена для сбора, накопления, преобразования и обработки измерительных и управляющих сигналов в АИК реального времени, соединенных с ЭВМ (персональным компьютером). Особенности системы КАМАК: модульный принцип построения; конструктивная однородность системы за счет унификации несущих конструкций и конструкций модулей; магистральная структура интерфейса; программное управление АИК. Конструктивно измерительная система на основе интерфейса КАМАК выполняется в виде, представленном на Рисунке 1.
Интерфейс отличается единым управлением, характеризуемым различным
количеством уровней централизации. Архитектура системных шин телекоммуникационного и сервисного сигналов
– не повторяемая; топология интерфейсов каналов обмена радиально – магистральная, последовательность отработки основных этапов обмена информацией – параллельный, метод обмена информацией – синхронный, допускается работа с различными персональными компьютерами. Параметры электрического питания и конструктивных особенностей удовлетворяют унифицированным требованиям. Основой
структуры КАМАК
является крейт. Конструктивно крейт – это стойка, в которую вставляются платы-модули, расположение которых
в крейте может быть произвольным.
С позиций
принципа историзма, включающего периоды постепенной эволюции
и резких структурных перемен во многих областях жизни общества,
можно считать в той или иной степени, закономерным появление этого стандарта
именно в конце шестидесятых годов прошлого века. Вторую половину
этого десятилетия историки многих стран мира называют "эволюционным" и "бурным" периодом развития
индустриального общества.
Специалисты в области социально-исторических проблем и сегодня не могут
объяснить, почему именно в этот период
люди в разных концах света одновременно захотели
совершать революции и прорывы. Негативное отношение к тем или иным аспектам своего
существования охватило
различные общественные и социально-значимые группы и приобрело
формы молодежных движений,
выступлений представителей рабочего класса, различных
"сопротивлений", национально-патриотических фронтов. Северная Америка, европейский континент,
СССР, Китайская народная республика, другие державы встретились с угрозами самому факту
своего геополитического и общественного развития. И преодолели они это по-разному: например, США прошли в полный рост через все невзгоды и препятствия и удержались на мировой
арене, а Советский Союз не смог излечиться от недугов
и нездоровых симптомом
исторических коллизий и через четверть века перестал существовать как государство. Но тектонические общественно-политические и технологические прорывы, начавшиеся в этот исторический период, все еще продолжают оказывать
влияние на ход мировой истории
и развитие
техники и технологий [2].
Примерно в это же время на свет появилась
компания Intel, которая технологическим инструментарием произвела иную "общественную" революцию: вычислительные машины, которые
представлялись "super" исследовательской и специальной техникой военного назначения, достаточно быстро стали доступными для населения западных стран приборами домашнего
пользования. Стоит отметить,
что в те времена все эти новшества выглядели
наивными: документы
развития фирм и предприятий составляли
не более одной страницы машинописного текста.
Одновременно с развитием
аппаратных средств стартовала и разработка программной компоненты ЭВМ, речь идет об операционной системе UNIX. Рождение
этой операционной системы
определило некую рубежность в истории техники. Несмотря
на то, что она по распространенности по всему миру уступает программному обеспечению фирмы
Microsoft, программные пакеты, созданные на этой платформе, не теряют популярности среди системных
администраторов и профессиональных программистов. Но необходимо
обратить внимание
на следующий аспект рассматриваемой проблематики. Аппаратно-программные, специальные, образовательные и информационные технологии также перетекли в некое облако молодежных, студенческих движений.
По своей сути это один из спокойных, как бы интеллигентных способов
ухода от окружающей реальности. Представители молодого поколения, которых из-за отсутствия опыта и навыков
работы не приняли бы даже на низшие должности в мега компании и
консорциумы, изобретали свои уникальные "социумы". Мечтания и грезы об идеальных общественных устройствах просто перешли в область
скринов и листингов программ.
В науке и технике возникли новые теории. В деловой сфере были отмечены грандиозные
перемены. Самая обыкновенная по западным
меркам фирма IBM в реальной жизни не реализовала
бы идей по созданию
и развитию
массовых ПЭВМ. Их разработчики студенты
– С. Джобс и С. Возняк, которые
собрали в гараже
первый Apple Macintosh. Или, к примеру, "всемирная сеть". Это не что иное, как результат развлечений младших научных сотрудников на службе натовского блока: "они просто
соревновались друг с другом в компьютерных играх – развлекались на рабочем
месте", – поясняет
профессор Г. Дерлугьян, член Исполнительного комитета Программы новых подходов к безопасности России
[3].
По его словам, примерно то же произошло и с первой советской космической программой. Академик С.
П. Королев по заданию
Министерства обороны должен
был создать носитель, который
выводил бы на орбиту ядерное оружие. В это же время
перспективные советские инженеры
создали программу по исследованию Вселенной.
И только когда генеральный секретарь ЦК КПСС увидел американскую прессу и понял, насколько на Западе удивлены
разработками русских,
он заявил: "Вот какие наши молодцы
– ну и разрабатывайте свою космическую программу". Олицетворение эпохи "наших" шестидесятых – это бестселлер братьев Стругацких "Понедельник начинается в субботу" – по сути, руководство к действию для младших научных
сотрудников советских НИИ и НПО. Не
было еще в истории столько научных
сотрудников, и никогда
не работали они в таких огромных иерархических институтах какие были в СССР. Раньше такие первооткрыватели как Маркони,
Тесла или Эдисон трудились
в одиночку, как и большинство других исследователей и ученых до XX века. А рассматриваемый исторический период
– это колоссальные НИИ с бесконечными организационными иерархиями и управленческим аппаратом.
Однако система КАМАК не нашла широкого
распространения в измерительной технике из-за функционально-параметрической и конструктивной ограниченности, прежде всего в радиочастотном и СВЧ диапазонах, которые в то время стали интенсивно осваиваться промышленностью в системах
связи как военного назначения, так в телекоммуникационных структурах гражданского и двойного
применения.
В соответствии с исторической хронологией в 70-х годах прошлого
века широкое распространение получил стандарт на магистраль VME (Virtual Memory Environment) (МЭК 821) фирмы Motorola (США) как внутрисистемную шину персональной
ЭВМ. На базе этой магистрали были разработаны модульные
системы для контроля
технического состояния и диагностики цифровых устройств, но магистраль VME изначально не была предназначена для использования в контрольно-измерительных системах.
Исторически появлению
этого стандарта предшествовала эволюция,
с одной стороны, средств телекоммуникаций, с другой – вычислительной техники, результатом которой стало развитие
компьютерных сетей (Рисунок 2).
Принцип историзма
в аспекте появления стандарта
VME заключается
в применении ряда следствий, охватывающих всю область эволюции элементов
телекоммуникаций и вычислительной техники, первое из которых вытекает
на основе хронологии развития компьютерных сетей (Табл.1).
Хронология развития информационно-коммуникационных сетей
Таблица 1
|
Этап
|
Период времени
|
|
Первые глобальные связи
компьютеров, первые эксперименты с пакетными сетями
|
Конец 60-х годов ХХ века
|
|
Начало передач
по телефонным сетям
голоса в цифровой форме
|
Конец 60-х годов ХХ века
|
|
Появление больших интегральных схем, первые мини- компьютеры, первые
локальные сети
|
Начало 70-х
годов ХХ века
|
|
Создание
сетевой архитектуры IBM SNA
|
1974 г.
|
|
Появление стандарта Х.25
|
1974 – 1975 гг.
|
|
Первые персональные компьютеры, создание Интернета, использование на всех узлах компьютерной сети стека TCP/IP
|
Начало 80-х
годов ХХ века
|
|
Разработка стандартов локальных сетей (Ethernet –
1980 г,
Token Ring
–
1985 г.)
|
Середина 80-х
годов ХХ века
|
|
Начало коммерческого использования Интернета
|
Конец 80-х годов ХХ века
|
|
Изобретение Web- технологий
|
1991 – 1992 гг.
|
Другой аспект принципа
историзма при анализе причин появления
стандарта VME заключается в том, что на всем пространстве, включающем в себя процессы
преобразования, кодирования, приема
и представления информации, основные
положения этого стандарта
базируются на теории информации, которая крайне устойчива и, в какой-то степени нерушима, так как в основе ее законов находятся
извечные пласты – опыт взаимодействия, логические и математические постулаты.
Но, пожалуй, основной
особенностью принципа
историзма при его применении к рассмотрению идеологии построения и развития
VME стандарта является некий элемент
условности, связанный с общими тенденциями развития науки и технологий в рассматриваемый исторический период. Именно в последнюю четверть прошлого века средства измерений получили
микропроцессоры, что позволило, во-первых, полностью
отказаться от операций по настройке
режимов работы средств измерений обслуживающим персоналом, во-вторых обеспечить предварительную обработку метрологических данных и, в-третьих, позиционировать измерительные комплексы как программно-управляемые. Существующие на тот момент времени
технологии производства средств вычислительной техники, позволили совместить ЭВМ со средствами измерений. Благодаря такой совместимости: электрической, информационной и во
многом конструктивной, прибора-модуля и внешней
ЭВМ появилась разновидность стандарта
VME – VMEbus (шина VME). Примерно в это же время Фирмой Hewlett-Packard был предложен приборно-модульный принцип построения
АИК, базирующийся на использовании автономных программно-управляемых измерительных
приборов-модулей, имеющих встроенный интерфейс и работающих на общую магистраль
(канал общего пользования – КОП). Требования, предъявляемые к интерфейсу КОП, впервые были изложены
в открытом стандарте IEEE 488.1 (МЭК 625) [4].
В России эти требования для программируемых средств измерения были определены в ГОСТ 26.003-80, разработанном в 1980 г. Нижегородским НИПИ "Кварц".
Данный документ описывает структуру интерфейса для АИК с различными видами технологий обмена
информацией. По мере усложнения АИС, базирующихся на канале общего пользования, возникла необходимость дальнейшего совершенствования стандарта
МЭК 625. В результате дополнительно были разработаны два стандарта: МЭК 625.1 и МЭК 625.2. В России в ННИПИ "Кварц" были разработаны аналогичные стандарты.
Таким образом, методология разработки стандарта КОП, как в нашей стране, так и за рубежом, учитывала изменяемость автоматизированной измерительной системы, ее способность к развитию, адаптации, расширению
функциональных возможностей и накоплению обрабатываемой информации, что соответствует принципу историзма при проектировании и разработке измерительного комплекса как технической системы.
К концу 80-х годов отечественной приборостроительной промышленностью выпускалось около 175 типов радиоизмерительных
приборов с интерфейсом, отвечающим требованиям ГОСТ 26003-80,
предназначенных для агрегатирования в АИК. Использование в составе АИК радиоизмерительных приборов
общего применения
привело к функциональной и параметрической избыточности контрольно-измерительных систем, что вызвало увеличение их стоимости
и повышение расходов
при эксплуатации. Поэтому
ведущие приборостроительные фирмы мира продолжили работы по изысканию путей создания новых
средств измерения открытой
архитектуры, лишенных указанных недостатков.
С этой целью в 1987 г. пятью приборостроительными фирмами
США (Colorado Data Systems, Hewlett- Packard, Racal Dana Instruments, Tektronix и Wavetek) был создан консорциум, задачей которого была разработка концепции открытого стандарта, выражающего требования и принципы построения магистрально-модульных контрольно-измерительных систем нового поколения. За основу была выбрана
магистраль VME, получившая широкое распространение в компьютерных технологиях, доработанная с учетом требований
ее использования в автоматизированных
измерительных системах и получившая название
магистрали VXI (шина VME, по сути, расширенная для использования в измерительной технике)
[5].
Консорциумом была разработана спецификация магистрали VXI, в которой сохранялись все сигналы магистрали VME и вводились новые, необходимые для применения в приборной магистрали
(локальные шины, линии сигналов
запуска и т. д.) Кроме того,
спецификация расширила
возможности по габаритным размерам, установила требования к электромагнитной совместимости, питанию и системе охлаждения базового
блока и функциональных модулей.
Очевидные преимущества модульной аппаратуры на базе магистрали VXI предопределили ее широкое распространение. В настоящее время более 120 фирм мира выпускают около 1500 типов модулей
различного назначения, что дает возможность потребителям самим собирать автоматизированные контрольно- измерительные системы.
Стандарт магистрали VXI предусматривает применение в модулях до трех 96- контактных разъемов типа DIN (Рисунок 3) [5].
Программное обеспечение (ПО) является средством управления магистрально-модульными средствами VXI во всех случаях их применения от виртуальных приборов и до функционально сложных автоматизированных систем контроля и диагностирования. На Рисунке 4 приведена обобщенная программно-аппаратная модель VXI системы, включающая в себя различные (наиболее часто встречаемые) варианты используемых программно- технических средств [6]. Нижний (аппаратный) уровень – уровень модулей VXI характеризуется унифицированной для всех типов функциональных модулей регистровой структурой. Это позволило реализовать принцип стандартизации драйверов всех устройств, который сохраняется на всех верхних уровнях модели. Второй особенностью VXI модуля является возможность программировать команды модулей не только в двоичном коде (регистровые операции), но и в ASCII кодах. Второй, третий и четвертый уровни определяют конкретную конфигурацию VXI системы, ее производительность и технические возможности. На верхних уровнях представлены программные средства, встречающиеся в VXI технологиях при разработке прикладных программ.
Пятый уровень стандартизует библиотеку операций ввода/вывода межсистемных обменов по различным интерфейсам связи (VISA – Virtual Instrument Software Architecture). На уровне
языков программирования VXI технологии предоставляют широкий выбор средств
и возможностей для пользователя. Кроме
общеизвестных алгоритмических языков программирования С++, PASCAL, FORTRAN, BASIC разработаны специализированные графические среды, существенно облегчающие процесс, а также сокращающие время создания
и отладки прикладных программ VXI систем. Встроенная
поддержка современных технологий
взаимодействия между приложениями позволяет полностью реализовать принципы
модульного построения прикладного ПО.
Таким образом, стандарт
VXI, обобщил
в себе опыт, накопленный при разработке и эксплуатации стандартных интерфейсов 70–80-х годов ХХ века, и дал им новое технологическое направление – обеспечение максимальной
"дружественности" для пользователей и полной независимости их от конкретного производителя.
Стандарт занял на рынке устойчивое положение в определенных приложениях и прошел этапы внедрения
от военных отраслей
до гражданского применения. Примеры успешного
внедрения VXI-технологий в России показывают, что
в ряде случаев альтернативы для них в настоящее время
нет. Опыт применения VXI показал, что эту технологию легко осваивают отечественные специалисты и быстро находят им прикладные приложения, не имеющие аналогов
в мировой практике.
Следующей, в хронологическом порядке, технологией стандартных интерфейсов АИК, явилась
платформа PXI (Рисунок 5).
Повсеместное использование ПЭВМ позволило им занять место в составе
испытательных стендов, измерительных комплексов и выполнять важные операции в циклах управлении процессами в современном промышленном
производстве. Особняком стоят программно-аппаратные процедуры
ввода/вывода и преобразования сигналов,
где достоинства вычислительной техники неоспоримы, несмотря
на то, что целый ряд перечисленных задач диктует
необходимость в использовании специальных и дорогостоящих технологий, к которым относятся операционные платформы, работающие с реальным временем
типа Linux, OS-9, QNX и др. совместно с аппаратными комплексными приложениями. Перечисленные специальные аппаратные, программные и инфокоммуникационные приложения и комплексы особенно востребованы в военных ведомствах
и на предприятиях военно-промышленного комплекса различных стран. Поиск решений типичных диагностических, измерительных и задач контроля в сфере телекоммуникаций базируется на простых и более дешевых
и "открытых" технологиях, например,
ОС Windows NT в совокупности с оборудованием ввода/вывода измерительных сигналов. Этим требованиям удовлетворяет большинство продуктов фирмы National Instruments.
Особенности стандарта PXI:
·
открытая модульная архитектура;
·
более 1500 измерительных модулей (от единиц
Гц до 26.5 ГГц);
·
до 17 измерительных модулей в одном
шасси;
·
возможность синхронизации как модулей,
так и отдельных шасси;
·
стандартные компьютерные технологии и интерфейсы ввода/вывода;
·
полная совместимость платформ PXI/PXI Express и CompactPCI;
· пропускная способность: до 1 ГБ/с - каждого слота
для подключения модулей, до 4 ГБ/с - слота системного контроллера.
Принцип историзма в исследовании
рассматриваемого стандарта
PXI позволяет вычленить
специфические черты, определяемые доступностью персональных ЭВМ, их широкой унификацией, не высокой
стоимостью относительно профессиональных АИК, что имеет
важное значение для понимания причин
современного развития технологий стандартных интерфейсов и может служить основой
прогнозирования для разработки новых, модернизации существующих платформ, которые расширяют функциональные возможности процедур
контроля и измерения параметров и характеристик различных телекоммуникационных систем.
Историческим и техническим развитием рассмотренных технологий стандартных интерфейсов АИК стал разработанный в 2004 году стандарт LXI. Определяя взаимодействие испытанных, широко распространенных инфокоммуникационных стандартов, таких как: Ethernet, Web-браузеры и IVI-драйверы, стандарт LXI обеспечивает оперативное, эффективное и экономичное создание и реконфигурирование АИК. Хотя многие измерительные приборы текущего поколения имеют порты
LAN, именно стандарт LXI явился следующим логичным шагом в эволюции
построения АИК на базе локальной
сети (LAN). Стандарт LXI охватывает классические измерительные приборы,
модульные измерительные приборы
без передней панели, а также функциональные унифицированные модули (стандартные блоки, из которых
строится измерительная система), получившие название синтетических приборов.
Предложенный в статье подход к анализу
развития технологий стандартных интерфейсов автоматизированных измерительных комплексов может рассматриваться, с одной стороны,
с точки зрения специфики
технических аспектов и совершенствования показателей таких систем, а с другой стороны, с позиций историзма, которые не предусматривают изучение конкретной предметной области, тем более с позиций технологичности
конкретного направления в технике. Результаты анализа современных стандартов как элементов технологий
с позиций принципа
историзма могут дополнить теоретико-методологическую основу для осуществления прогнозирования путей развития,
определения основных тенденций
модернизации качественных характеристик таких технических комплексов в ближайшей
исторической перспективе.
Выполненная попытка
периодизации развития стандартов и интерфейсов автоматизированных измерительных комплексов с позиций историко-системного анализа может дополнить
теоретическую составляющую неоформленной еще методологии "История техники" на таком этапе ее развития
как автоматизация.
Список литературы
1. Климентьев К.Е. Системы реального времени: обзорный курс лекций / К.Е. Климентьев. – Самара: Самар. гос. аэрокосмический ун-т, 2008. – 45 с.
2. Москва и Восточная
Европа. Непростые 60-е… Экономика, политика,
культура: Сборник
статей. – М.: Институт славяноведения РАН, 2013. – 486 с.
3. Исторический процесс, согласно
Георгию Дерлугьяну //
Журнал "Эксперт" № 15, 17 апреля 2006 г. – С. 18- 23.
4. Петросьянц В.В. Измерительно-вычислительные комплексы (КОП). Учеб. пособие. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. – 159 с.
5.
Что такое стандарт
VXI? http://www.vxi.ru/common/vved.htm.
6.
И. Каршенбойм. Контроллеры Fast Ethernet для встроенных применений // Компоненты и Технологии. 2003, № 5. – С. 27-34.
