Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(НИЯУ МИФИ)

Кафедра Экспериментальные методы ядерной физики

«УТВЕРЖДАЮ»

Декан

_____________/ ______________ /

«____» __________________ 2014

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Интегрированные среды управления экспериментом. Компьютерный практикум

^{(наименование дисциплины (модуля)}

Специальность / направление подготовки: 651000 ядерные физика и технологии

Специализация / профиль подготовки: 072606 лазерная физика

______________________________________________________________________

Квалификация (степень) выпускника: специалист –инженер-физик___

Форма обучения - очная___________________________________________

^{(очная, очно-заочная и др.)}

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО.

Автор(ы) Ст. преп.. Шарапов Михаил Петрович_______________________________

Рецензент(ы) ___________________________________________________________

Программа одобрена на заседании кафедры от 21.04.2014 года, протокол № ________.

Зам.зав.кафедрой _____________/ Рунцо М.Ф. / «____» _______________ 2014

г. Москва – 2014 г.

1. ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Целями освоения учебной дисциплины «Интегрированные среды управления экспериментом. Компьютерный практикум» являются углубленное изучение принципов работы, проектирования, построения и применения современных автоматизированных измерительных и управляющих систем преимущественно на базе персональных компьютеров /ПК/ и связанных с этим разделов программирования, электроники, метрологи и стандартизации. Курс является неотъемлемой частью подготовки физика – экспериментатора. Изучаются принципы построения и требования стандартов к построению автоматизированных измерительных и управляющих систем, различные типы измерительных преобразователей и устройств сопряжения, интерфейсы измерительных систем, устройство, работа и принципы программирования персонального компьютера и отдельных его составных частей, устройство и работа микропроцессоров на примере микропроцессоров типа Intel x86, современные инструментальные средства разработки и эксплуатации автоматизированных измерительных и управляющих систем, методические и метрологические особенности разработки и эксплуатации автоматизированных измерительных и управляющих систем применительно к системам эксперимента в области лазерной физики.

2. МЕСТО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Данная дисциплина относится к циклу ДС – дисциплины специализации. Логически

и содержательно – методически дисциплина является частью заключительной специализации, являющейся неотьемлемой частью знаний физика – экспериментатора в области лазерной физики.

«Входными» знаниями являются знания общей физики, электротехники, электроники, информатики и программирования на языке Pascal.

Для освоения данной дисциплины необходимо предшествующее освоение основ электротехники и цифровой электроники, программирования на языке Pascal в MS DOS, конструирования приборов и установок.

3. КОМПЕТЕНЦИИ СТУДЕНТА, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ) / ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАЗОВАНИЯ И КОМПЕТЕНЦИИ СТУДЕНТА ПО ЗАВЕРШЕНИИ ОСВОЕНИЯ ПРОГРАММЫ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ)

В результате освоения дисциплины студент должен:

1) Знать: принципы работы, проектирования, построения и применения современных автоматизированных измерительных и управляющих систем преимущественно на базе персональных компьютеров, требования стандартов к построению автоматизированных измерительных и управляющих систем, номенклатуру типов измерительных преобразователей, устройств сопряжения, интерфейсы измерительных систем, устройство, работу и принципы программирования персонального компьютера и отдельных его составных частей, устройство и работу микропроцессоров на примере микропроцессоров типа Intel x86, номенклатуру современных инструментальных средств разработки и эксплуатации автоматизированных измерительных и управляющих систем, методические и метрологические особенности разработки и эксплуатации автоматизированных измерительных и управляющих систем применительно к системам лазерного эксперимента.

2) Уметь: правильно выбрать необходимую схему автоматизации для решения конкретной физической задачи.

3) Владеть навыками анализа задач автоматизации, программирования интерфейсов RS-232, параллельного порта и устройств, подключаемого к шине ISA.

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Структура курса: лекций 12 часов, лаборатории-12 часов, контроль -зачет.

Содержание курса

Тема 1. Введение в анализ, проектирование и применение автоматизированных измерительных систем.

Предмет курса и его место в специальности.

Общая схема автоматизации измерительных и управляющих систем. Автоматизированные системы управления технологическими процессами /АСУТП/. Основные составные части АСУТП, их назначение и необходимость их использования в конкретной системе: система сбора данных и управления, система накопления данных и отображения, система прогнозирования и моделирования.

Основные параметры, характеризующие автоматизируемую систему: количество информации, скорость поступления информации, пространственная распределенность системы, точность вычислений, время реакции, сложность алгоритма работы, продолжительность работы, возможные значения этих параметров при автоматизации экспериментов, взаимовлияние этих параметров.

Метрологические аспекты построения АСУТП.

Нормативно-технические требования к проектированию, построению и эксплуатации АСУТП. Порядок разработки, приемки и эксплуатации АСУТП. Жизненный цикл АСУТП. Требования Единой Системы Программной Документации /ЕСПД/. Общие технические требования к АСУТП, их обоснованность и примеры реализации.

Примеры автоматизации разнотипных систем, применения систем управления неустойчивыми объектами.

Тема 2. Программно-аппаратная часть автоматизированных измерительных систем.

Основные элементы АСУТП: объект автоматизации, устройство связи с объектом /УСО/, вычислительная система.

Состав, назначение и функции УСО. Номенклатура показателей и номенклатура модулей УСО. Методические особенности применения модулей УСО в зависимости от особенностей объекта автоматизации. Примеры применения в медицине, промышленности. Понятие гальванической развязки и способы ее выполнения.

Аналого-цифровые преобразователи /АЦП/, номенклатура показателей назначения, типовые рабочие характеристики современных АЦП. Связь между отдельными рабочими характеристиками АЦП. Типовые и рекордные характеристики АЦП. Взаимозависимость времени преобразования и разрядности АЦП. Особенности применения сверхбыстродействующих АЦП. Метрологические и методические особенности применения АЦП в составе УСО при построении систем цифровых осциллографов и спектрометрических систем.

Цифро-аналоговые преобразователи /ЦАП/, номенклатура показателей назначения, типовые рабочие характеристики современных ЦАП. Связь между отдельным рабочими характеристиками ЦАП. Типовые и рекордные характеристики ЦАП. Взаимозависимость времени преобразования и разрядности ЦАП.

Устройства дискретного ввода-вывода, номенклатура показателей назначения, типовые рабочие характеристики.

Счетчики, показатели назначения, номенклатура показателей назначения, типовые рабочие характеристики. Зависимость типовых показателей назначения от используемой технологии интегральных схем.

Комбинированные устройства УСО. Типовые примеры комбинированных устройств УСО.

Вычислительные системы АСУТП, варианты систем: персональные компьютеры, промышленные компьютеры, встраиваемые системы, одноплатные и однокристальные ЭВМ, микроконтроллеры.

Архитектура вычислительных систем и ее влияние на надежность работы АСУТП. Архитектура фон-Неймана и гарвардская архитектура. Методические особенности применения ЭВМ и микроконтроллеров в составе АСУТП. Выбор операционной системы для применения в составе АСУТП.

Операционные системы /ОС/. Классификация ОС по принципам организации вычислительного процесса. Операционные системы реального времени /РВ/. Примеры ОС РВ: QNX, Lynx, ОС2000. Типовые показатели назначения и значения показателей назначения ОС РВ. Зависимость показателей назначения от типа процессора и используемой ОС Операционные системы с ядрами РВ. Основные характеристики ОС с ядрами РВ. Методические особенности выбора ОС и прикладного программного обеспечения в зависимости от задачи автоматизации.

Тема 3. Интерфейсы автоматизированных измерительных систем.

Понятие интерфейса измерительной системы и системы передачи данных. Основные классификационные показатели интерфейсов: способ подключения устройств, способ передачи данных, способ и порядок обмена данными. Магистрали и их классификация.

Шинные интерфейсы. Достоинства и недостатки. Особенности применения.

Синхронизация как способ повышения надежности работы системы. Примеры синхронных и асинхронных интерфейсов. Изохронные интерфейсы и область их применения.

Параллельные и последовательные интерфейсы, сравнение характеристик быстродействия и сложности реализации интерфейсов.

Шинные интерфейсы персональных компьютеров на примере шин ISA и PCI. Основные рабочие характеристики и особенности применения. Мультиплексирование шин на примере шины PCI. Промышленные аналоги PC-104, PXI.

Другие шинные интерфейсы ПК. Характеристики шин SCSI и PCCard.

Периферийные интерфейсы ПК на примере интерфейсов RS-232, IEEE-1284, USB, IEEE-1394. Основные рабочие характеристики и особенности применения этих интерфейсов.

Интерфейсы систем автоматизации и многомодульных систем: КАМАК, Fastbus, VME. Особенности архитектуры и применения этих интерфейсов. Основные рабочие характеристики указанных интерфейсов.

Интерфейсы систем измерительных пиборов. Интерфейс КОП и GPIB, основные рабочие характеристики и особенности применения.

Промышленные интерфейсы RS-422, RS-485. Особенности использования, типовые характеристики. Зависимость скорости передачи данных от расстояния. Схемы подключения устройств в указанных интерфейсах.

Интерфейсы локальных вычислительных сетей. Методические особенности применения сети Ethernet. Кольцевые сети примеры применения и основные рабочие характеристики.

Тема 4. Элементы архитектуры и программирование IBM-совместимых ПК.

Основы архитектуры ПК. Шинная архитектура и ее особенности. Понятие процессора, оперативной памяти – оперативного запоминающего устройства /ОЗУ/. Понятие периферийного устройства. Принцип подключения периферийных устройств.

Особенности совместной работы процессора с ОЗУ. Особенности работы ОЗУ в зависимости от типа базовой ячейки. Понятие регенерации памяти. Понятие кэш-памяти и особенности ее применения.

Типовая современная схема построения ПК. Понятие хост-шины, мостов.

Периферийные устройства, подключенные к шине ПК. Понятие порта ввода-вывода. Адрес порта и адрес ячейки памяти. Адресное пространство.

Принцип прямого доступа в память /ПДП/, контроллер ПДП, его назначение и особенности использования.

Основные сигналы шины ISA и шины PCI. Временные диаграммы работы шин ISA и PCI. Сигналы прерывания, особенность их использования. Типы прерываний процессора: аппаратные, внутренние и программные и их использование при программировании.

Типовая блок-схема устройства, подключаемого к шине ISA. Понятие дешифрации адреса, назначение двунаправленного буфера ввода-вывода.

Уровни программирования устройств ПК: с помощью прямого обращения к портам устройства, с помощью программных прерываний, вызывающих функции BIOS, с помощью программных прерываний, вызывающих функции ОС, с помощью драйверов устройств. Стандартные программные прерывания и их использование. Методические особенности использования программирования прямого обращения к портам ввода-вывода и использования стандартных функций, вызываемых через программные прерывания. Стандартизация: универсальность и ограниченность.

Введение в архитектуру процессора на примере Intel *86. Основные составные части процессора, доступные и используемые прикладным программистом. Регистры общего назначения. Сегментные регистры. Принцип сегментной адресации памяти и формирование физического адреса ячейки памяти.

Понятие стека и его использование при обработке прерываний. Вложенность прерываний и особенности ОС РВ и ОС, не являющихся ОС РВ при обработке прерываний.

Вектор программного прерывания и таблица векторов прерываний в реальном режиме работы процессора. Понятие перехвата прерывания.

Обзор процессоров RISC-архитектуры и ПК на их основе, в том числе применяемых для тяжелых условий эксплуатации.

Тема 5 . Программирование периферийных портов ввода-вывода IBM-совместимых ПК.

Контроллер последовательного порта ПК. Временная диаграмма передачи данных по последовательному интерфейсу. Сигналы интерфейса RS-232 и их назначение. Понятие квитирования при передаче данных. Типовая схема нуль-модемного кабеля для связи устройств по последовательному интерфейсу RS-232.

Программирование контроллера последовательного порта ПК с помощью программного прерывания. Функции программного прерывания и их вызов.

Инициализация контроллера. Формат байта инициализации. Параметры, настраиваемые при инициализации: скорость передачи, признак четности, количество информационных бит и количество стоповых бит. Формат данных в используемых регистрах процессора.

Передача байта. Формат данных в используемых регистрах процессора.

Прием данных. Формат данных в используемых регистрах процессора. Особенности проверки правильности принятого байта.

Контроллер параллельного порта ПК. Временная диаграмма передачи данных по параллельному интерфейсу. Сигналы интерфейса IEEE-1284 и их назначение. Режимы работы параллельного порта в соответствии с интерфейсом IEEE-1284. Типовая схема подключения устройства к параллельному порту ПК. Особенности организации электропитания устройства, подключаемого к параллельному порту ПК.

Программирование устройства, подключенного к параллельному порту ПК с помощью прямого обращения к портам контроллера параллельного порта. Основные регистры контроллера параллельного порта. Формат данных регистров состояния и управления.

Тема 6 Современные SCADA-системы.

Современные тенденции программной инженерии. Методы ускорения разработки программ. Особенности отладки программ управления аппаратурой. Технология JTAG и ее применение. Визуальные методы проектирования интерфейса пользователя на примере систем программирования Visual Studio.

Системы SCADA как средства ускоренной разработки АСУТП. Взаимозависимость выбора ОС, системы SCADA, прикладных программ и аппаратных средств УСО.

Понятие виртуального прибора. Примеры систем SCADA: LabView, Trace Mode, Genesys, Genie. Типовые рабочие характеристики систем SCADA.

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В процессе освоения курса помимо лекций используются:

- самостоятельная домашняя работа, для подтверждения компетенции и активности на 8-й неделе промежуточный контроль знаний.

- лабораторные работы.

ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

- контроль посещаемости лекций и лабораторных занятий

- текущий семестровый контроль на 8 неделе.

- регулярная сдача проделанных лабораторных работ с контролем теоретических знаний по теме работы.

6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

1.**		(Единая система программной документации. Сб. ГОСТов. М., 1988)
2.*	681 М 99	(Мячев А.А., Степанов В.Н., Щербо В.К. Интерфейсы систем обработки данных. Справочник. Радио и связь. М., 1989)
3.**		(Хаммел Р.Л. Последовательная передача данных. Руководство для программиста. Мир, СК Пресс. 1996)
4.*	004 Н73	(Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. Эком. М., 1997)
5.*	681.3 С74	(Справочное руководство по IBM PC в 3 частях. ТПП Сфера. М., 1991)
6.*	004 Г 93	(Гук М.О. Энциклопедия аппаратных средств IBM PC. Питер. Санкт-Петербург, 2003)
7.*	004 Г 93	(Гук М.О. Аппаратные средства IBM PC. (Карманная энциклопедия). Питер. СПб., 1996).
8.**		(Аристова Н.И., Корнеева А.И. Промышленные программно-аппаратные средства на российском рынке АСУТП. ООО Издательство Научтехлитература. М., 2001)
9.*	004 С 50	(Смит Дж. Сопряжение компьютеров с внешними устройствами. Уроки реализации. пер. с англ. В.В.Матвеева. под ред. А.М.Матвеева. Мир. М., 2000)
10.**		(Николайчук О.И. Системы малой автоматизации. С.-Пресс. Москва, 2003)
11.**		(Пей Ан Сопряжение ПК с внешними устройствами. ДМК. М., 2001)
12.**		(Агуров П. Последовательные интерфейсы. ПК. Практика программирования. БВХ-Петербург. Санкт-Петербург, 2004)
13.**		(Агуров П. Интерфейс USB. Практика использования и программирования. БВХ-Петербург. Санкт-Петербург, 2004)
14.**		(Несвижкий В. Программирование аппаратных средств в Windows БВХ-Петербург..Санкт-Петербург, 2004)

* Книга находится в читальном зале.

** Книги в библиотеке МИФИ нет.

7. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Лабораторные работы

1.Программирование последовательного порта

2.Программирование параллельного порта