Решения для промышленных систем сбора и обработки данных

Что такое системы сбора данных?

В этой статье подробно рассматривается сбор данных. Прочитав ее, вы получите представление об:

• определении и принципах сбора данных;
• основных возможностях и функциях систем сбора данных;
• задачах, решаемых современными системами сбора данных.

Перейти к разделу

Интегральные схемы фильтров

Для построения активных фильтров необходимо использование малошумящих операционных усилителей и большого количества пассивных компонентов. При этом малошумящие ОУ, как правило, имеют высокий уровень энергопотребления и высокую стоимость. Кроме того, построение фильтров ведет к увеличению габаритных размеров и усложнению трассировки печатной платы. Использование готовых интегральных фильтров серии MAX74xx позволяет реализовать ФНЧ до 8-го порядка на одной микросхеме. Семейство MAX74xx состоит из фильтров эллиптического типа, фильтров Баттерворта и Бесселя до 8-го порядка. Потребление интегральных фильтров в активном режиме не превышает 1,2 мА. Миниатюрный корпус SOIC8 поможет сэкономить место на плате, особенно если ССД имеет многоканальную структуру. Подробнее об интегральных фильтрах можно узнать по адресу: http://www.maximintegrated.com/products/filters.

Схема усиления и нормирования сигнала предназначена для согласования уровня напряжения выходного аналогового сигнала датчика к полному диапазону АЦП, что снижает погрешность преобразования АЦП. Подбирая операционные усилители для работы в составе той или иной ССД, помимо метрологических характеристик, таких как напряжение, смещение, температурный и временной дрейф напряжения смещения, КОСС, коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, необходимо внимательно анализировать и шумовые характеристики ОУ (см. таблицу 1).

Таблица 1. Операционные усилители компании MAXIM

Наименование	Напряжение питания, В	Icc/канал, мА	Напряжение смещения, мкВ	Дрейф нуля, мкВ/°C	Уровень шума nV/√Hz (1 кГц)	Полоса пропускания, МГц
MAX44251/2	2,7…20	1,75	7	0,019	5,9	10
MAX9632	4,5…36	3,9	125	0,5	0,94	55
MAX9945	4,74…38	0,85	8000	2	16,5	3
MAX9617	1,8…5,5	0,059	10	0,12	42	1,5
MAX9613/15	1,8…5,5	0,42	150	7	28 (на 10K)	2,8
MAX44260/1	-0,3…+6	1,2	100	5	12,7 (на 10K)	15

Для приложений, особенно критичных к уровню шума, необходимо использование таких малошумящих ОУ, как, например, MAX9632. Это малошумящий операционный усилитель с ультранизким уровнем входных шумов (порядка 0,94 нВ/√Гц) и напряжения смещения (125 мкВ) в широком диапазоне питающих напряжений (до 36 В).

MAX44251/2 — сверхпрецизионный малошумящий усилитель с малым дрейфом нуля (рисунок 3). Этот ОУ, разработанный специально для применения в прецизионных измерительных цепях,обладает уникальным набором метрологических характеристик: напряжением смещения порядка 7 мкВ и уровнем шума 5,9 нВ/√Гц во всем рабочем температурном диапазоне. Температурный дрейф нуля составляет 19 нВ, полоса пропускания — 10 МГц. Благодаря низкому уровню шума и хорошим метрологическим характеристикам MAX44251/2 отлично подходит для работы в составе аналоговой измерительной цепи совместно с 24-разрядным АЦП. Широкий диапазон питания до 20 В делает его идеальным для работы с тензометрическими преобразователями.

Рис. 3. Пример применения ОУ MAX44251 совместно c 24-разрядным АЦП серии MAX112хх

Для задания коэффициента усиления удобно использовать интегральные делители напряжения MAX5490/1/2. Использование интегральной резисторной цепочки серии MAX549x (рисунок 4) поможет снизить габаритные размеры и повысить стабильность аналоговой схемы. Прецизионные резистивные делители семейства MAX549х состоят из двух точно согласованных резисторов с тремя классами согласования: 0,035% (класс A), 0,05% (класс B) и 0,1% (класс C). Температурный дрейф коэффициента деления чрезвычайно низок и не превышает 2 ppm/°С.

Рис. 4. Применение прецизионной цепочки резисторных делителей MAX5491

Архитектура микропроцессорных систем

В настоящее время широкое распространение получил модульный принцип организации микроконтроллеров (МК), при котором на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации. При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей.

Структура модульного МК приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Модульная организация микроконтроллера

Процессорное ядро включает в себя:

• центральный процессор;
• внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления;
• схему синхронизации МК;
• схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д.

Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема, порты ввода/вывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В относительно простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой отдельный модуль с развитыми возможностями. В состав изменяемого функционального блока могут входить и такие дополнительные модули, как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в составе МК с учетом протокола ВКМ. Данный подход позволяет создавать разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства.

С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команды в современных МК применяется одна из двух архитектур микропроцессорных систем (МПС): фон-неймановская (принстонская) или гарвардская. Основной особенностью фон-неймановской архитектуры является использование общей памяти для хранения программ и данных, как показано на рисунке. 3.

Рисунок 3 – Микропроцессор с фон-неймановской архитектурой

Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана – упрощение устройства МПС, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того, использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость МПС с точки зрения разработчика программного обеспечения.

Размещение стека в общей памяти облегчало доступ к его содержимому. Неслучайно поэтому фон-неймановская архитектура стала основной архитектурой универсальных компьютеров, включая персональные компьютеры.

Основной особенностью гарвардской архитектуры является использование раздельных адресных пространств для хранения команд и данных, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 – Микропроцессор с гарвардской архитектурой

Гарвардская архитектура долго не использовалось, пока производители МК не поняли, что она дает определенные преимущества разработчикам автономных систем управления. Дело в том, что, судя по опыту использования МПС для управления различными объектами, для реализации большинства алгоритмов управления такие преимущества фон-неймановской архитектуры, как гибкость и универсальность, не имеют большого значения. Анализ реальных программ управления показал, что необходимый объем памяти данных МК, используемый для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ.

В этих условиях использование единого адресного пространства приводило к увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации операндов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных.

Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций.

Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Этот метод реализации операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы. Большинство производителей современных МК используют гарвардскую архитектуру.

Однако гарвардская архитектура является недостаточно гибкой для реализации некоторых программных процедур. Поэтому сравнение МК, выполненных по разным архитектурам, следует проводить применительно к конкретному приложению.

Архитектура фон Неймана носит более универсальный характер применения, Гарвардская архитектура – более специализирована.

3 главных принципа работы с большими данными

Ключевыми положениями для работы с большими данными являются:

Горизонтальная адаптивность

Количество данных неограниченyо, поэтому обрабатывающая их система должна иметь способность к расширению: при возрастании объемов данных должно пропорционально увеличиваться количество оборудования для поддержания работоспособности всей системы.

Стабильность в работе при отказах

Горизонтальная адаптивность предполагает наличие большого числа машин в компьютерном узле. К примеру, кластер Hadoop насчитывает более 40 000 машин. Само собой, что периодически оборудование, изнашиваясь, будет подвержено поломкам. Системы обработки больших данных должны функционировать таким образом, чтобы безболезненно переживать возможные сбои.

Зарегистрируйся на интенсив StandUp «Путь в IT»
с Павлом Волей и получи подборку
полезных документов от Geekbrains

до . $mondayDate->format(d) . . $month[$mondayDate->format(n) — 1] .
37 500 ₽ Бесплатно —> Только до 26 мая
Бесплатно

Мы вместе с экспертами по построению карьеры подготовили документы, которые помогут не ошибиться с выбором и определить, какая профессия в IT подходит именно вам.

Благодаря этим гайдам 76% наших студентов смогли найти востребованную профессию своей мечты!

Скоро мы уберем их из открытого доступа, успейте скачать бесплатно:

Женщины в IT: мифы и перспективы в карьере

Как прокачать свою технику речи

100 тыс. руб за 100 дней с новой профессией

Список из 6 востребованных профессий с заработком от 100 тыс. руб

Критические ошибки, которые могут разрушить карьеру

Собрали 7 типичных ошибок, четвертую должен знать каждый!

Гайд по профессиям в IT

5 профессий с данными о навыках и средней заработной плате

4,7 MB

Концентрация данных

В масштабных системах данные распределяются по большому количеству оборудования. Допустим, что местоположение данных — один сервер, а их обработка происходит на другом сервере. В этом случае затраты на передачу информации с одного сервера на другой могут превышать затраты на сам процесс обработки. Соответственно, чтобы этого избежать необходимо концентрировать данные на той же аппаратуре, на которой происходит обработка.

Концентрация данных

В настоящее время все системы, работающие с Big Data, соблюдают эти три положения. А чтобы их соблюдать, нужно разрабатывать соответствующие методики и технологии.

D3.js

Плюсы:

Легкий и быстрый.
Дает вам полный контроль над визуализацией данных.
Работает с такими веб-стандартами, как SVG и HTML.
Множество встроенных многократно используемых функций и фабрик функций.

Минусы:

Документация может быть немного улучшена.

Цена: Бесплатно.

D3.js (сокращение от Data-Driven Documents) — это библиотека JavaScript для создания динамических, интерактивных визуализаций данных в веб-браузерах. Она использует выборочные предварительно разработанные функции для создания объектов SVG, их настройки или добавления к ним динамических эффектов. К этим SVG-объектам можно присоединять большие наборы данных для создания текстовых/графических диаграмм и графиков.

D3 не имеет стандартного формата визуализации. Она позволяет создавать что угодно — от круговых диаграмм и графиков до HTML-таблиц и геопространственных карт.

Данные могут быть в различных форматах, таких как CSV или JSON. Вы можете даже написать код JavaScript для чтения других форматов данных или повторно использовать код с помощью широкой коллекции официальных и разработанных сообществом модулей.

Заключение

Компьютерные и коммуникационные технологии являют собой вполне очевидные проявления информационной революции. Поэтому понятен тот интерес к ним, который проявляют педагоги, пытаясь найти пути адаптации школы к современному миру. Все большее число родителей, учителей и учащихся приходят к убеждению, что в результате полученных знаний о компьютерах и приобретенных навыков работы на них дети будут лучше подготовлены к жизни и могут успешно достичь материального благополучия в меняющемся мире.

У школы нет иного выбора, кроме как адаптация ее к информационному веку. Основная цель этой адаптации состоит в том, чтобы научить обрабатывать информацию, решать задачи, используя компьютерные технологии. Такая работа не может быть проделана в течение одного года или стать результатом реализации какого-то проекта. Это процесс, у которого нет конца.

Характеристики информационной системы

Информационная система имеет сложную структуру и использует различные технологии.

К техническим средствам относятся компьютеры, устройства сбора, накопления, обработки и вывода информационных данных, устройства передачи данных и каналы связи, техническая документация, определяющая правила эксплуатации и использования технических средств. Информационное обеспечение составляют значения параметров, характеризующих объекты информационной системы, данные о формах входящих и исходящих документов.

Совокупность математических методов, алгоритмов, моделей и программ, реализующих функции информационной системы — это математические и программные средства. Организационное и правовое обеспечение — это совокупность документов, регламентирующих деятельность людей в рамках информационной системы: законы, постановления, инструкции и тому подобное. К другим средствам можно отнести, например, лингвистические, которые определяют интерфейс, представление данных в базе и тому подобное.

Данные в информационной системе могут храниться в неструктурированном или структурированном виде. Неструктурированные — это обычные текстовые документы (возможно, иллюстрированные): статьи, рефераты, журналы и книги. Системы, в которых хранят неструктурированные данные, не всегда дают конкретный ответ на вопрос пользователя, а могут выдать текст документа или перечень документов, в которых нужно искать ответ. Структурирование данных предусматривает задания правил, определяющих их форму, тип, размер, значение и тому подобное.

К информационной системы данные поступают от источника. Эти данные присылают для хранения или определенного обработки в системе и затем передают потребителю.

Потребителем может быть человек, устройство или другая информационная система. Между потребителем и собственно информационной системой может быть установлена ​​обратная связь (от потребителя к блоку приема информации).

В информационной системе происходят следующие процессы:

• ввод данных, полученных из различных источников; обработки (преобразования) данных;
• хранения входящих и обработанных данных;
• вывода информационных данных, пользовательских; отправка / получение данных сети.

Разработка информационной системы предполагает решение двух задач:

• наполнения системы данными определенной предметной области;
• создание интерфейса пользователя (желательно графического) для получения необходимых информационных данных.

Между источником и потребителем информационной системы может быть организовано взаимодействие:

• произвольное взаимодействие, которое предусматривает обязательное участие операторов и на стороне приема, и на стороне передачи. Возможен обмен в произвольном, но заранее оговоренном формате;
• интерактивный удаленный доступ, в которой оператор находится на передающем стороне, обрабатываются принятые документы автоматически;
• контролируемая потоковая обработка. Например, принятый по электронной почте файл содержит HTML форму, запуск которой начинает процесс обработки документа или прием оператором электронной почте документов в обусловленном формате и далее — запуск программы обработки. Требует обязательного контроля оператора на стороне приема;
• полностью автоматизированный процесс приема и обработки электронных документов в оговоренном формате, участие операторов не нужна.

Что входит в комплекс основных видов устройств?

Технология обработки информации может базироваться на основных средствах. Под ними следует понимать устройства, направленные на автоматизацию работы с данными. Для того чтобы можно было наладить контроль над определенными процессами, требуется обладать некоторыми данными управленческого характера. За счет них появится возможность охарактеризовать состояние, параметры технологических процессов, количественные и стоимостные показатели.

Основные системы обработки информации могут включать в себя:

1. Устройства, регистрирующие и осуществляющие сбор данных.
2. Оборудование, которое принимает и передает данные.
3. Средства, подготавливающие данные. обработки и отображения данных.

Что такое обработка информации на компьютере

Самое важное умение компьютера – это обработка информации. Прелесть компьютера как раз и состоит в том, что он может информацию преобразовывать. Все устройство компьютера обусловлено требованием обработки информации в кратчайшие сроки, наиболее быстрым способом.

Под обработкой информации на компьютере можно понимать любые действия, которые преобразуют информацию из одного состояния в другое.

Соответственно, компьютер имеет специальное устройство, называемое процессором, которое предназначено исключительно для чрезвычайно быстрой обработки данных, со скоростями, доходящими до миллиардов операций в секунду.

Оперативная память (ОЗУ)

Требуемые для обработки данные процессор получает (берет) из оперативной памяти.

Оперативная память — это устройство, которое предназначено для ВРЕМЕННОГО хранения как входных, так и выходных данных.

Там же в оперативной памяти находится и место для хранения промежуточных данных, формируемых в процессе обработки информации. Таким образом, процессор как получает данные из оперативной памяти, так и записывает обработанные данные в эту память. Там информация хранится временно, до тех пор, пока она находится в обработке.

Наконец, для ввода и вывода данных к компьютеру подключаются внешние устройства ввода-вывода, которые позволяют ВВОДИТЬ информацию, подлежащую обработке, и ВЫВОДИТЬ результаты этой обработки.

Внешний винчестер, внешнее DVD-устройство, флешка, клавиатура, мышь

Процессор и оперативная память работают с одинаково большой скоростью. Как уже говорилось выше, скорость обработки информации может составлять многие миллионы и миллиарды операций в секунду. Никакое внешнее устройство ввода и вывода информации не может работать на таких скоростях.

Поэтому для их подключения в компьютере предусмотрены специальные контроллеры устройств ввода-вывода. Их задача состоит в том, чтобы согласовать высокие скорости работы процессора и оперативной памяти с относительно низкими скоростями ввода и вывода информации.

Эти контроллеры подразделяются на специализированные, к которым могут быть подключены только специальные устройства, и универсальные. Примером специализированного устройства контроллера служит, например, видеокарта, которая предназначена для подключения к компьютеру монитора.

Контроллеры могут быть и универсальными, в этом случае – это так называемые порты ввода-вывода, К портам ввода-вывода могут подключаться разнообразные устройства (клавиатуры, манипуляторы «мышь», принтеры, сканеры и т.п.).