На главную Написать сообщение Поиск по сайту Новости публикаций Плакаты и знаки по охране труда и БЖД Видео по охране труда и технике безопасности Зарубежные средства индивидуальной защиты Юридическая консультация онлайн
В начало разделаМикробиология и биотехнологии → Автоматизация биотехнологических исследований

Микро-ЭВМ и микропроцессоры в биоконтроллерах и биоизмерителях


До 60-х годов развитие вычислительной техники шло в направлении увеличения мощности и сложности ЭВМ; однако стало ясно, что область возможного применения ЭВМ выходит за рамки быстродействующего вычислительного автомата. В развитии вычислительной техники появилось новое направление — управление сложными научными экспериментальными и производственными процессами, контроль качества продукции и т. д.


Здесь на первое место выдвигается не быстродействие, объем памяти и длина машинного слова (определяемая разрядностью ЭВМ), а надежность, простота технического обслуживания, низкая стоимость. Потребность в вычислительной технике специального типа привела к появлению мини- и микро-ЭВМ.


Микро-ЭВМ имеют тот же принцип действия, что и малые вычислительные машины, отличаясь от последних лишь ограниченным набором внешних устройств, меньшим объемом памяти, укороченным машинным словом, ограниченным набором команд и более простым математическим обеспечением. Микро-ЭВМ — это вычислительная машина, построенная с использованием микропроцессорного комплекса интегральных схем, содержащая микропроцессор, полупроводниковую память на микросхемах и средства связи с объектами управления и внешними устройствами.


Благодаря таким особенностям, как чрезвычайно малые габариты и масса, низкая стоимость машины, увеличивается тенденция к использованию микро-ЭВМ в сферах, где нецелесообразно или просто невозможно использование современных мини- или больших вычислительных машин. Широко применяются микро-ЭВМ и в сферах управления производством, научным экспериментом, транспортными системами, в медицинской диагностике, биотехнологии и при обработке данных медико-биологических исследований.


Микро-ЭВМ создаются на основе больших интегральных схем — БИС, содержащих тысячи элементов в одном полупроводниковом кристалле площадью в несколько квадратных миллиметров, которые позволяют создавать схемы оперативной, постоянной и полупостоянной памяти, представляющие собой функционально законченные модули, а также схемы, осуществляющие функции управления, преобразования, связи с периферийными устройствами и т. п.


Микро-ЭВМ обычно используются как специализированные ЭВМ с достаточно простыми функциями и с набором необходимых периферийных устройств. Ее память включает постоянное запоминающее устройство, где хранятся программы, и оперативное ЗУ, где размещаются данные, которыми оперирует машина, и выходная информация. Устройства вывода преобразуют выходную информацию в форму, удобную для пользователя; к их числу относятся печатающие устройства, дисплеи, цифроаналоговые преобразователи, индикаторы на светодиодах и др.


В настоящее время промышленность СССР выпускает множество различных микро-ЭВМ, среди которых особо следует отметить такие, как «Электроника—60», «Электроника НЦ», СМ—1800, Искра—226 и др.; это целое семейство машин, последние модели которых приближаются по своим параметрам к мини-ЭВМ. Микро-ЭВМ имеют развитую систему команд, большой набор аппаратурных модулей и программно совместимы с мини-ЭВМ, СМ—3, СМ—4, СМ—1420.


Системы автоматизации биотехнических исследований состоят из двух уровней: «Электроника—60» или «Электроника НЦ» и СМ—4 или СМ—1420, в которых непосредственный контроль за ходом процесса или за работой прибора осуществляется с помощью микро-ЭВМ, а управление на основе математической модели — с помощью мини-ЭВМ.


В середине 70-х годов в развитии микро-ЭВМ наметилась новая тенденция, связанная с появлением персональных компьютеров — микро-ЭВМ, выполненных в виде единого компактного прибора с широким комплексом технических средств для разработки, отладки и выполнения программ. Наиболее совершенная разновидность — персональные компьютеры для профессионалов, имеющие объем оперативной памяти до сотен Кбайт, внешней — до десятков Мбайт. Они имеют богатый набор периферийного оборудования, развитое математическое обеспечение и по уровню вычислительного сервиса приближаются к большим ЭВМ.


Существенно, что эти машины могут быть использованы в качестве интеллектуальных терминалов для вхождения в сеть ЭВМ. Подключаясь с помощью персонального компьютера через концентратор терминалов к сети, пользователь получает доступ к вычислительным мощностям главных ЭВМ и к информации, хранящейся в банках данных сети, что является качественно новым шагом в развитии вычислительной техники.


Прогресс в интегральной технологии, позволивший в одной БИС построить десятки логических и запоминающих схем, дал возможность практически организовать на одном или нескольких кристаллах устройство, выполняющее функции процессора ЭВМ. Такое устройство, представляющее собой функционально законченный программно-управляемый малоразрядный блок, выполненный конструктивно в виде одной или нескольких БИС, получил название микропроцессора (МП). В нем в соответствии с программой производятся арифметические и логические действия над данными. Первый МП был разработан в 1971 г. фирмой Intel (США). В мировой практике используется свыше 400 типов микропроцессоров различной производительности (до нескольких миллионов операций в секунду).


Микропроцессор с подключенными к нему устройствами внешней памяти и ввода-вывода представляет собой простейшую микро-ЭВМ. Микропроцессор, выполненный в виде БИС, — это кремниевый кристалл, в котором сформирована электронная схема, содержащая десятки тысяч транзисторов. Кристалл заключен в пластмассовый или керамический корпус и имеет несколько десятков выводов для присоединения. Однако МП имеют малую разрядность (четырех- или восьмиразрядные), меньшее по сравнению с процессорами универсальных ЭВМ быстродействие и значительно меньший набор команд.


В связи с этим они находят широкое применение в тех областях, где не требуется создания сложных программ вычислений, а основные требования предъявляются к габаритам и стоимости, например, в качестве встроенного вычислителя или микроконтроллеров в приборах и автоматизированных установках либо в качестве небольшой специализированной ЭВМ с достаточно простыми функциями и с набором необходимых периферийных устройств или персональной ЭВМ.


Для управления ферментационным процессом разработаны системы, выполненные на основе МП и осуществляющие сбор и первичную обработку параметров (Т, рН, еН, рО2, уровень пены, обороты мешалки), непосредственное цифровое управление, программно-логическое управление, документирование опыта, расчет косвенных параметров. Примером таких систем могут служить контроллеры биопроцесса моделей MDIAC-C1 (фирма Marubishi, Япония), EFC 24 (фирма Elektrolux, Швеция) и разработанная в НИЦбиоавтоматика микропроцессорная система управления биосинтезом «Автоферм—2».