Содержание
Введение
1. Актуальность
2. Цель и задачи исследования
3. Проектирование и работа датчика сопряжения
4. Особенности реализации программы-клиента
Выводы
Список источников
Введение
В наше время высоких технологий практически на любом большом предприятии, будь то область электротехники, металлургии или биотехнологий стоит вопрос об эффективном моделировании технологических процессов и управлении ими. Объект, на котором протекают исследуемые технологические процессы, представляет собой сложную динамическую систему, а ее моделирование позволяет получить наилучшее решение в вопросах управления и налаживании производственного процесса, а также избежать ситуаций, когда система выходит из строя [1].
Моделирование сложной динамической системы требует большой вычислительной мощности. Такую мощность обеспечивает использование кластера из многопроцессорных систем, где связанные с моделированием сложные вычисления выполняются параллельно.
Имея в своем распоряжении точную модель какого-либо процесса, пользователь-специалист предметной области или разработчик управляющей системы данным процессом могут выполнять различного рода эксперименты и исследования для достижения поставленных целей (например, для отладки разработанного оборудования) [2].
Однако, как правило, такой пользователь имеет мало представления о том, как и в какой среде, работает параллельная модель. Кроме того чаще всего пользователь находится далеко от вычислительного кластера, на котором выполняется моделирование, а значит необходима возможность удаленного доступа по сети. Поэтому для работы с моделью необходим промежуточный интерфейс, который был бы прост и удобен в использовании и предоставлял бы пользователю все необходимые средства для решения его задач. Роль такого интерфейса может выполнять программа-клиент, запущенная на компьютере.
Клиент обеспечивает не только простоту, но и гибкость. Имея обновляемую базу данных кластеров, пользователь может выполнять моделирование на разных параллельных системах с разной вычислительной мощностью и спецификой работы [3]. Получаемый результат может обрабатываться и предоставляться в любой желаемой форме с возможностью хранения и анализа предыдущих опытов. Это позволяет значительно увеличить эффективность проводимых исследований и опытов, а также улучшить качество разрабатываемого оборудования для управления и анализа сложных производственных процессов.
Актуальность
На сегодняшний день многие предприятия, где протекают сложные динамические процессы, заинтересованы в надежной и эффективной системе управления этими процессами. Во время разработки систем управления очень важно максимально приблизить условия тестирования системы к реальным, что необходимо для обеспечения качественной работы таких систем.
Имея точную параллельную модель, можно построить систему автоматического управления или диагностики, имея средства для качественного тестирования и отладки. Чтобы связать систему управления и модель сложного динамического объекта, необходим интерфейс, о котором говорилось выше. Моделирование, в основе которого лежит три компонента: система управления, модель и интерфейс связи системы управления с моделью позволяет максимально приблизить условия тестирования к реальным, а само моделирование называется полунатурным.
Благодаря полунатурному моделированию можно разработать такую систему в том виде, в котором она будет внедряться в реальное производство, протестировать и настроить ее работу, после чего практически сразу задействовать на предприятии.
Цель и задачи исследования, планируемые результаты
В последнее время в качестве систем управления набирают популярность микроконтроллерные системы управления (МКСУ). Чтобы связать МКСУ и параллельную модель сложного динамического объекта, на котором и выполняются модельные эксперименты, необходим специальный интерфейс сопряжения, который представляет собой набор аппаратно-программных решений для контроля эксперимента и наблюдения за ним. Аппаратным интерфейсом выступает так называемый датчик, обеспечивающий возможность передачи данных от МКСУ к компьютеру, где установлено разработанное программное обеспечение для обмена данными между МКСУ и параллельным моделирующей средой, а также имеются все необходимые средства для проведения экспериментов и их визуализации [7].
Во время разработки датчика планируется рассмотреть:
• Исследование протокола передачи данных от МКСУ к компьютеру;
• Внедрение и использование протокола в процессе обмена данными;
• Проектирование и сбор платы датчика со всеми необходимыми компонентами.
Во время разработки программы-клиента планируется рассмотреть:
• Исследование безопасного протокола передачи данных между компьютерами по сети;
• Создание дружественного и удобного интерфейса для работы с параллельной моделирующей средой;
• Обеспечение графических средств мониторинга и построения моделируемого объекта.
Проектирование и работа датчика сопряжения
Роль моста между МКСУ и управляемым объектом выполняет датчик. Рассмотрим принцип работы датчика на примере вентиляционной системы шахты. На рисунке 1 изображена структура системы автоматического управления расхода воздухом в одной ветви вентиляционной системы шахты.
![](../images/frame1.png)
![Структура систем автоматического управления расходом воздуха](../images/pic1.png)
Рисунок 1. Структура систем автоматического управления расходом воздуха
Показанный на структуре датчик передает МКСУ некий параметр Q, величину которого необходимо контролировать. МКСУ анализирует полученные данные и выдает значение напряжения, которое через датчик подается на двигатель, регулируя тем самым уровень на который необходимо опустить штору, ограничив или увеличив тем самым поток воздуха в шахте. В качестве датчика выступает микроконтроллер, который с некоторой, установленной пользователем частотой принимает данные от датчика, обрабатывает их и выдает ответ в нужном направлении.
Во время полунатурного моделирования датчик помогает выполнять обмен данными между МКСУ и параллельной моделью на кластере. Непосредственно датчик связан только с микроконтроллерной системой управления. Для связи с моделью на кластере используется терминал. Пользователь должен иметь возможность тестировать систему с разными параметрами и получать результат, как в графическом виде, так и в численном. Роль такого терминала выполняет компьютер.
Аппаратная реализация датчика состоит из трех компонент:
• центральный микроконтроллер;
• COM - USB адаптер;
• плата с разъемами для подключения микроконтроллеров системы управления.
Центральный микроконтроллер - микроконтроллера серии PIC18F2550. PIC - это семейство микроконтроллеров Гарвардской архитектуры, которые разрабатываются компанией Microchip Technology Inc[5]. Данный микроконтроллер представляет собой высокомощный 8-битный контроллер, который включает в себя большой набор модулей: 10-битный АЦП, компараторы, ШИМ, драйвер ЖКИ, интерфейсы связи USB, CAN, I2C, SPI, UART (COM), Ethernet и т.д. Объем RAM 2 Кбайт, скорость процессора 12 MIPS, память для хранения программы 32 Кбайт. Диаграмма контактов PIC18F2550 изображена на рисунке 2.
![](../images/frame2.png)
![Диаграмма контактов PIC18F2550](../images/pic2.png)
Рисунок 2. Диаграмма контактов PIC18F2550
Таким образом, данный микроконтроллер имеет все необходимые средства для качественного выполнения возложенной на него функции: анализ данных и обмен ими между компьютером (по последовательному COM-интерфейсу) и МКСУ.
Последовательный COM-интерфейс предназначен для обмена байтовой информацией, которая передается по одному биту[6]. Этот интерфейс еще обозначается как интерфейс стандарта RS-232. Применение интерфейса вытекает из его названия: «Интерфейс между терминальным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду». Раньше последовательный COM-интерфейс использовался для подключения терминала, позднее для модема или мыши. Сейчас он используется для связи с аппаратными средствами вычислительных систем, спутниковыми ресиверами и т.д.
Особенностью последовательного COM-интерфейса в сравнении с другими технологиями есть факт отсутствия каких-либо временных требований между передачей двух байт. Этот интерфейс является простым с точки зрения оборудования, широко распространен и имеет поддержку во многих языках программирования и аппаратных реализациях. Для того чтобы датчик мог отправлять и принимать информацию от компьютера используются UART выходы микроконтроллера 18 - RX (прием) и 19 - TX (передача).
Как правило, передача и прием по COM-интерфейсу на стороне компьютера должна выполняться через COM-порт [10]. Однако в наше время число персональных компьютеров имеющих соответствующий порт все меньше и меньше, поэтому следует предусмотреть передачу данных через интерфейс USB. Для этого используется специальный COM-USB адаптер, позволяющий на программном уровне работать с последовательным COM-интерфейсом, тогда как на физическом уровне использовать интерфейс USB. В основе адаптера лежит микросхема FT232R. Схема подключения FT232R изображена на рисунке 3.
![](../images/frame3.png)
![Схема подключения FT232R](../images/pic3.png)
Рисунок 3. Схема подключения FT232R
Так как кроме компьютера датчик также будет соединяться с МКСУ, необходимо разработать плату с разъемами для подключения микроконтроллеров системы управления. Плата состоит из разъема для центрального микроконтроллера, разъема для FT232R адаптера, и шести разъемов к которым будут подключаться управляющие микроконтроллеру МКСУ [9]. Принципиальная схема платы изображена на рисунке 4. Разработанный датчик изображен на рисунке 5.
![](../images/frame4.png)
![Принципиальная схема платы соединения датчика с МКСУ](../images/pic4.png)
Рисунок 4 - Принципиальная схема платы соединения датчика с МКСУ
![](../images/frame5.png)
![](../images/pic5.jpg)
Рисунок 5 - Изображение датчика с COM-USB адаптером (1), центральным микроконтроллером (2) и разъемами для МКСУ (3)
Особенности реализации программы-клиента
Программа-клиент, запущенная на компьютере позволяет выполнять моделирование сложного динамического объекта, работая с параллельной моделирующей средой и системой управление на микроконтроллерах. Перед началом моделирования необходимо подключить МКСУ к компьютеру и задать параметры ее работы. Дальше пользователю предлагается с помощью графического редактора схематически изобразить моделируемый динамический объект или использовать готовый из базы данных.
Следующим шагом необходимо запустить моделирование динамического объекта в параллельной моделирующей среде и обеспечить возможность обмена данными между средой и МКСУ. Параллельная моделирующая среда находится, как правило, на удаленном многопроцессорном кластере. Управление кластером и доступ к нему выполняется с помощью сервера, как правило, под управлением операционной системы Linux. Такой подход позволяет удаленно, по сети, получать доступ к ресурсам кластера широкому кругу пользователей, а значит, пользователь не должен находиться в непосредственной близости к кластеру. На рисунке 6 изображен процесс обмена данными во время моделирования.
![](../images/frame6.png)
![Процесс обмена данными во время моделирования (Анимация: 6 кадров, задержка между кадрами 1.5 с, количество циклов 5, размер 500х300, 23.7 КБ)](../images/anim.gif)
Рисунок 6 - Процесс обмена данными во время моделирования (Анимация: 6 кадров, задержка между кадрами 1.5 с, количество циклов 5, размер 500х300, 23.7 КБ)
Однако необходим надежный и гибкий интерфейс, по которому будет предоставляться доступ к ресурсам кластера. Для этой цели очень часто используется сетевой протокол Secure Shell (SSH), который позволяет выполнять защищенное, удаленное управление компьютером и передачу ему данных. Формально SSH - это сетевой протокол прикладного уровня, позволяющий производить удалённое управление операционной системой и туннелирование TCP-соединений (например, для передачи файлов) [4]. SSH протокол шифрует весь трафик, в том числе передаваемые пароли, с возможностью выбора алгоритмов шифрования. SSH-клиенты и SSH-серверы доступны для большинства сетевых операционных систем.
Операционная система Linux имеет установленный SHH-сервер, позволяющий получить доступ к системе при наличии пароля и логина. SSH также позволяет передавать по незащищенной среде практически любой другой сетевой протокол. Благодаря этому можно не только удаленно работать на компьютере через командную оболочку, но и передавать звуковой или видео поток. Протокол SSH состоит из трех основных компонент. Протокол транспортного уровня обеспечивает аутентификацию серверов, конфиденциальность и целостность[8]. Протокол аутентификации пользователей используется на сервере для проверки полномочий клиентов. Протокол соединения обеспечивает мультиплексирования шифрованного туннеля в несколько логичных каналов.
Выводы
На момент написания магистерской работы исследования, проводимые в ее рамках, носили не только теоретический характер, но и были подтверждены на программном и аппаратном уровнях. Была выполнена разработка и реализация датчика, после чего была написана часть программы-клиента с целью протестировать его работу. Кроме того был получен опыт работы с SSH протоколом. Тестирование выполнялось с подключением реальной микроконтроллерной управляющей системой. При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
- Святний В.А. Паралельне моделювання складних динамічних систем // Моделирование - 2006: Международная конференция. Киев, 2006 г. - Киев, 2006. - С. 83-90.
- Святний В.А. Стан та перспективи розробок паралельних моделюючих середовищ для складних динамічних систем з розподіленими та зосередженими параметрами / В.А.Святний, О.В.Молдованова, А.М.Чут.
- Конспект лекций по курсу «Параллельные распределенные вычисления», В. А. Святный, 2010.
- Secure Shell [Электронный ресурс]
Режим доступа: www.ru.wikipedia.org/wiki/SSH - PIC микроконтроллеры [Электронный ресурс]
Режим доступа: www.ru.wikipedia.org/wiki/PIC - Последовательный COM-порт [Электронный ресурс]
Режим доступа: www.en.wikipedia.org/wiki/Serial_port - Святний В.А. Проблеми паралельного моделювання складних динамічних систем.
- SSH.NET Library [Электронный ресурс]
Режим доступа: www.sshnet.codeplex.com - PIC RS232 Serial Communication example [Электронный ресурс]
Режим доступа: www.mcuexamples.com/PIC-Serial-Communication.php - Serial Port in C# [Электронный ресурс]
Режим доступа: www.msdn.microsoft.com/ru-ru/library/system.io.ports.serialport.aspx