instrukcja_cw7.pdf
(
496 KB
)
Pobierz
Wirtualne przyrządy pomiarowe
Ćwiczenie – Wirtualne przyrządy pomiarowe
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie zasad projektowania i konstrukcji wirtualnych przyrządów pomiarowych.
2. Wprowadzenie teoretyczne
Od kilku lat zaznacza się wyraźny trend do tworzenia przyrządów pomiarowych o jak największej
uniwersalności i elastyczności. Trend ten znalazł swoje odzwierciedlenie w konstruowaniu tzw. wirtualnych
przyrządów pomiarowych. Przyrządy wirtualne stanowią kombinację odpowiednio oprogramowanego
komputera ogólnego przeznaczenia z przyrządami systemowymi lub urządzeniami pomiarowymi nowej
generacji (np. karty typu "plug-in"). Słowo "wirtualny" (ang. virtual) dotyczy czegoś nieistniejącego w danej
formie w rzeczywistości, ale spełniającego daną funkcję w punktu widzenia użytkownika, na ogół
z wykorzystaniem innych niż tradycyjne środków. Pojęcie przyrządu wirtualnego pojawiło się równolegle
z powstaniem nowych narzędzi programowych do komputerowego wspomagania projektowania systemów
pomiarowych [3,4], umożliwiających obsługę systemu lub przyrządu pomiarowego poprzez graficzny interfejs
użytkownika.
Przyrządy wirtualne stanowią nową jakość w metrologii. Należy zaznaczyć, że brak jest obecnie
powszechnie uznanych, jednoznacznych kryteriów pozwalających uznać dane urządzenie pomiarowe za
przyrząd wirtualny. Szczególnie brak jest rozróżnienia między częścią programową przyrządu a graficznym
interfejsem użytkownika przyrządu czy systemu. Trudno jest również ściśle zdefiniować sam przyrząd
wirtualny. Można przyjąć definicję [10], którą przedstawiono poniżej:
"Przyrząd wirtualny to rodzaj inteligentnego przyrządu pomiarowego, powstałego w wyniku
sprzężenia pewnego sprzętu nowej generacji z komputerem osobistym ogólnego przeznaczenia
i przyjaznym dla użytkownika oprogramowaniem, które umożliwia użytkownikowi współpracę
z komputerem na zasadach takich, jakby obsługiwał tradycyjny przyrząd pomiarowy.”
Tradycyjny cyfrowy przyrząd pomiarowy stanowi zamkniętą całość z określonymi możliwościami
wprowadzania i wyprowadzania danych, z ustalonym sposobem komunikacji z użytkownikiem poprzez
pokrętła, przyciski, wyświetlacze. Wnętrze takiego przyrządu stanowią specjalizowane obwody, takie jak:
obwody kondycjonowania sygnału, konwertery A/C, wewnętrzna magistrala danych, mikroprocesory, pamięci,
które przekształcają rzeczywiste sygnały, analizują je i prezentują wyniki dla użytkownika. Producent definiuje
wszystkie funkcje przyrządu, a użytkownik nie może ich zmienić. Schemat blokowy takiego przyrządu jest
przedstawiony na rys.1.
BLOK
PRZETWARZANIA
A/C
BLOK
PRZETWARZANIA
C/C
BLOK WIZUALIZACJI
(PŁYTA CZOŁOWA)
BLOK STEROWANIA
PRZEŁĄCZNIKI (PŁYTA CZOŁOWA)
OPERATOR
Rys.1 Struktura tradycyjnego przyrządu pomiarowego
Przyrząd wirtualny, realizując analogiczne funkcje jak przyrząd tradycyjny, ma zupełnie odmienną budowę
(rys.2). Składa się on z komputera (najczęściej klasy PC) oraz z jednego lub wielu pomiarowych bloków
sprzętowych, takich jak: pakiety akwizycji danych, tj. karty zbierania danych wraz z oprogramowaniem,
moduły z interfejsem VXI, przyrządy z interfejsem IEC-625, i inne. Każdy z tych elementów jest dołączony do
komputera albo jako karta typu "plug-in" wstawiona bezpośrednio do komputera, albo jako urządzenie
zewnętrzne poprzez interfejs. Przyrząd wirtualny może być projektowany i budowany zarówno przez
producenta firmowego, jak i przez użytkownika, który definiuje jego przeznaczenie i funkcje konstruując
odpowiednie oprogramowanie. Oprogramowanie to integruje komputer i pomiarowe bloki sprzętowe tworząc z
nich przyrząd; jest ono zatem nieodłączną częścią przyrządu wirtualnego.
str. 1
Ćwiczenie – Wirtualne przyrządy pomiarowe
BLOK
PRZETWARZANIA
A/C
BLOK
PRZETWARZANIA
C/C
BLOK
WIZUALIZACJI
PC
PRZETWARZANIE
C/C
GRAFICZNY
INTERFEJS
UŻYTKOWNIKA
BLOK STEROWANIA
PRZEŁĄCZNIKI
STEROWANIE
(GUI)
OPERATOR
Rys.2 Struktura wirtualnego przyrządu pomiarowego
W typowym torze pomiarowym przyrządu wirtualnego można wyróżnić 3 główne elementy funkcjonalne:
• blok akwizycji danych pomiarowych,
• blok analizy i przetwarzania zebranych danych pomiarowych,
• blok interfejsu użytkownika (sterowanie przyrządem i prezentacja wyników).
Cechą charakterystyczną wirtualnego przyrządu pomiarowego jest jego otwarta architektura. Otwartość
architektury oznacza m.in. dostęp do magistrali interfejsu łączącego komputer z częścią sprzętową.
W przypadku wewnętrznych, sprzętowych bloków funkcjonalnych magistralą ą jest magistrala
mikroprocesorowa komputera, a w przypadku bloków zewnętrznych - najczęściej magistrala jednego ze
standardowych interfejsów pomiarowych (IEC-625, VXI, RS-232, RS-485, Fieldbus). Nową jakość stanowi
możliwość połączenia komputera z częścią pomiarową przyrządu poprzez sieć komputerową Internet. Inną
istotną cechą przyrządu wirtualnego jest funkcjonalna elastyczność; oznacza to, że jeden sprzętowy blok
funkcjonalny (lub ich zbiór) umożliwia stworzenie szerokiego zbioru różnych przyrządów wirtualnych
realizujących bardzo różnorodne funkcje. Redukcja części sprzętowej przyrządu wirtualnego zarówno
zmniejsza jego koszt, jak i skraca czas jego projektowania i dalszych modyfikacji.
Bardzo ważną rolę w projektowaniu wirtualnych przyrządów pomiarowych odgrywa oprogramowanie. Od
rodzaju i jakości oprogramowania zależy sposób przeprowadzenia analizy danych, ich prezentacji, jak również
czas potrzebny do stworzenia konkretnego przyrządu. Oprogramowanie decyduje o możliwościach współpracy
z innymi programami i o możliwości pracy w sieci komputerowej. Narzędzia do projektowania przyrządów
wirtualnych można podzielić na: podstawowe (klasyczne języki wysokiego poziomu jak Basic, Pascal, C++ lub
języki typu Visual Basic) i zaawansowane (zintegrowane środowiska programowe) [7]. Obecnie powszechnie
wykorzystywane są narzędzia zaawansowane. Łączą one w sobie funkcje sterowania pracą systemu,
gromadzenia i przetwarzania danych pomiarowych oraz prezentacji wyników, a także oferują języki
programowania wyższego rzędu (w tym graficzne), edytor i uruchamiacz (ang. debugger). Najnowsze
rozwiązania zawierają również wbudowane mechanizmy sterowania częścią pomiarową przyrządu poprzez sieć
komputerową. Do najpopularniejszych przedstawicieli zintegrowanych środowisk programowych należą
produkty firm : National Instruments (LabWindows® for DOS, LabWindows®/CVI, LabView®), Hewlett-
Packard (HP VEE®), Keithley (TestPoint®). Projektowanie zarówno paneli, jak i programów ich obsługi
realizowane jest tu poprzez wybór z bogatego menu tekstowego lub graficznego odpowiednich opcji, a z nich
wymaganych funkcji lub symboli graficznych.
Struktura oprogramowania wirtualnego przyrządu pomiarowego jest przedstawiona na rys.3. Panel graficzny
na ekranie komputera odwzorowuje płytę czołową przyrządu wirtualnego. Panel ten zawiera zbiór symboli
graficznych, służących do obsługi przyrządu, takich jak: przełączniki, pola znakowe lub numeryczne,
wskaźniki, pola wykresów i inne. Sterownik części sprzętowej (sterownik przyrządu) odwzorowuje funkcje
przyrządu. Stanowi go zbiór funkcji wykorzystywanych przy komunikacji z przyrządem (takich jak:
programowanie nastaw, wyzwalanie pomiaru, odbiór wyników, wyświetlanie wyników itp.). Sterowniki
interfejsów zawierają programy obsługi magistral interfejsów standardowych (np. IEC-625, VXI, RS-232) lub /
str. 2
Ćwiczenie – Wirtualne przyrządy pomiarowe
i niestandardowych (np. szyna komputera, do której dołączona jest karta zbierania danych). Sterowniki
interfejsów są wykorzystywane przez sterowniki części sprzętowej, a te z kolei - przez program obsługi panelu
graficznego.
Panel graficzny przyrządu
Pomiary
Analiza
Prezentacja
Program obsługi panelu graficznego
Sterowniki części sprzętowej
S t e r o w n i k i i n t e r f e j s ó w
IEC-625
VXI
komputera
szyna
RS-232
do części sprzętowej
Rys.3 Struktura oprogramowania wirtualnego przyrządu pomiarowego
Poniżej zasygnalizowano ogólny sposób postępowania przy projektowaniu przyrządu wirtualnego
z wykorzystaniem zintegrowanych środowisk programowych.
Poszczególnymi etapami są:
• określenie funkcji i parametrów przyrządu wirtualnego,
• dobór części sprzętowej,
• analiza sterownika (lub sterowników) części sprzętowej lub projekt własny sterownika,
• projekt panelu graficznego:
- wybór rodzajów obiektów graficznych (przełączniki, wyświetlacze, itp.),
- rozmieszczenie obiektów na panelu,
- ustalenie wymiarów obiektów,
- ustalenie kolorów obiektów, koloru tła, kroju liter, itp.,
• projekt oprogramowania przyrządu wirtualnego:
- opracowanie algorytmu obsługi przyrządu wirtualnego (zależnie od środowiska - graficznego lub
tekstowego),
- uzupełnienie algorytmu o procedury obsługi zdarzeń,
• uruchomienie oprogramowania.
Opisując strukturę tradycyjnego przyrządu pomiarowego wymieniono, jako jeden z elementów składowych,
blok kondycjonowania sygnałów. Również przy budowie przyrządów wirtualnych jest to bardzo ważny element
toru przetwarzania sygnałów pomiarowych (szczególnie przy wykorzystaniu uniwersalnych kart zbierania
danych). Sygnały elektryczne generowane przez badany układ (czy przetworniki pomiarowe) muszą być
doprowadzone do formy akceptowalnej przez kartę. Najczęściej stosowaną formą dopasowania jest
wzmocnienie bądź stłumienie sygnału. Z oczywistych względów wartość sygnału nie może być większa od
maksymalnej wartości wejściowej dopuszczalnej dla karty. Z drugiej strony, w celu jak najlepszego
wykorzystania możliwości karty, maksymalna wartość sygnału powinna być w przybliżeniu równa
maksymalnej wartości napięcia wejściowego przetwornika A/C. Wzmocnienie bądź tłumienie sygnału osiąga
się przez zastosowanie odpowiednich rodzajów wzmacniaczy. Dodatkowo przez umieszczenie wzmacniacza
blisko układu badanego można zmniejszyć wpływ napięć zakłócających indukowanych w przewodach. Ma to
przede wszystkim znaczenie w przypadku sygnałów pomiarowych o niewielkich wartościach. Następnym
argumentem przemawiającym za zastosowaniem układów dopasowujących jest możliwość izolacji sygnałów
generowanych przez układ badany od komputera, co podwyższa bezpieczeństwo użytkowania systemu. Układ
dopasowujący jest używany również do eliminacji niepożądanych sygnałów. Ma to miejsce np. przy eliminacji
zakłóceń o wysokich częstotliwościach mogących spowodować błędne odczyty. Można to osiągnąć przez
zastosowanie filtrów dolnoprzepustowych.
str. 3
szyna
komputera
Ćwiczenie – Wirtualne przyrządy pomiarowe
3. Charakterystyka narzędzi sprzętowych i programowych wykorzystanych do
budowy przyrządów wirtualnych
Wirtualne przyrządy pomiarowe wykorzystywane w ćwiczeniu zostały zbudowane przy pomocy komputera
typu IBM PC/AT rozszerzonego o wielofunkcyjną kartę zbierania danych LabPC+. Przetwarzanie danych
i prezentacja wyników jest realizowana przez oprogramowanie stworzone przy użyciu pakietu narzędziowego
LabView firmy National Instruments.
3.1. Uniwersalna karta zbierania danych LabPC+
Karta LabPC+ (rys. 4) ma osiem multipleksowanych wejść konfigurowalnych jako osiem pojedynczych
wejść albo cztery różnicowe, jeden 12 bitowy przetwornik A/C, dwa 12 bitowe przetworniki C/A stanowiące
wyjścia napięciowe, dwadzieścia cztery linie cyfrowych wejść/wyjść kompatybilnych z poziomami napięć TTL
i trzy 16 bitowe kanały częstotliwościowo/czasowe. Kartę łączy z komputerem 8 bitowa szyna danych. Istnieje
możliwość wykorzystania przerwań i transmisji DMA. Wejścia analogowe karty są użyteczne przy rejestracji
danych. Zakres napięć wejściowych wynosi od -5V do +5V, albo opcjonalnie od 0V do +10V. Przez wyjścia
analogowe można generować różne przebiegi napięć oraz sygnały kontrolujące proces pomiarowy lub pracę
urządzenia zewnętrznego. Zakres napięć wyjść analogowych można skonfigurować jako -5V do +5V albo 0V
do 10V. Cyfrowych linii wejścia/wyjścia można użyć do przełączania przyrządów zewnętrznych, do
wczytywania statusu tych przyrządów lub do generowania przerwań. Częstotliwościowo/czasowe kanały służą
do synchronizacji zdarzeń, generowania impulsów o określonej długości trwania, pomiarów częstotliwości
i czasu. Wczytywanie danych pomiarowych do pamięci komputera może się odbywać w trzech trybach:
ciągłego pozyskiwania danych z jednego kanału, wielokanałowego pozyskiwania danych z ciągłym
wczytywaniem danych oraz wielokanałowego pozyskiwania danych z wczytywaniem danych tylko
w określonych odstępach czasu. W tym ostatnim trybie dane są pobierane ze wszystkich aktywnych kanałów
przez określony czas, po którym następuje zaprogramowana przerwa i powtórzenie całego cyklu. Dane mogą
być pobierane z dowolnej liczby kanałów (od 1 do 8). Istnieją dwa sprzętowe tryby wyzwalania "pretrigger"
i "posttrigger" umożliwiające wczytywanie danych pomiarowych przed i po wystąpieniu sygnału
wyzwalającego.
FIFO
12 bitowy
przetwornik A/C
Wzmacniacz
programowany
Multiplekser
analogowych
wejść
Interfejs
I/O
PC
82C53
A/C - układ
czasowo -
kontrolny,
C/A - układ
aktualizujący
Licznik
Zegar
Interfejs
DMA
12-bitowy
C/A
powójny
bufor
Interfejs
przerwań
82C53 - układ
czasowo -
kontrolny
8255
cyfrowe I/O
12-bitowy
C/A
powójny
bufor
Rys.4 Schemat blokowy karty zbierania danych LabPC+
str. 4
Ćwiczenie – Wirtualne przyrządy pomiarowe
3.2. Środowisko programistyczne LabView
LabView stanowi graficzne środowisko programistyczne, zawierające wszystkie potrzebne narzędzia do
akwizycji danych, ich analizy i prezentacji. Wykorzystując graficzny język programowania, zwany językiem
“G”, można konstruować przyrządy wirtualne tworząc schematy blokowe (łączące komponenty znajdujące się
na panelu z wbudowanymi funkcjami), które system kompiluje na kod maszynowy komputera. Programowanie
w środowisku LabView odbiega od tradycyjnej metody edycji kodu źródłowego programu. Nie trzeba tu znać
żadnego klasycznego języka programowania (jak C czy Basic), jednak pomocna jest znajomość podstawowych
pojęć programowania, takich jak organizacja pętli programowych czy typów i struktur danych. LabView oferuje
całą gamę bibliotek funkcji i podprogramów pomocnych w rozwiązywaniu większości zadań. Program zawiera
również wyspecjalizowane biblioteki do kontroli urządzeń przez interfejs IEC-625 lub RS-232, akwizycji
danych, ich analizy i prezentacji.
Edycja projektu odbywa się zasadniczo w dwóch oknach. W pierwszym z nich (rys. 5) tworzy się graficzny
interfejs aplikacji (panel), w drugim (rys. 6) buduje się logiczną strukturę (schemat blokowy) programu. Do
każdego z okien jest przypisana odpowiednia paleta elementów. W przypadku interfejsu graficznego są to
przyciski, pokrętła, wyświetlacze itp. Strukturę logiczną aplikacji tworzy się jako schemat blokowy składający
się z połączonych ze sobą poszczególnych elementów funkcjonalnych takich jak operatory matematyczne,
instrukcje warunkowe, pętle, bloki przetwarzania sygnałów czy obsługi sprzętu.
Rys. 5 Okno interfejsu aplikacji
Rys. 6 Okno struktury programu
str. 5
Plik z chomika:
kryzalid
Inne pliki z tego folderu:
instrukcja_cw10.pdf
(592 KB)
instrukcja_cw9.pdf
(188 KB)
instrukcja_cw8.pdf
(558 KB)
instrukcja_cw7.pdf
(496 KB)
instrukcja_cw6.pdf
(410 KB)
Inne foldery tego chomika:
Cellphone Wallpapers
Dokumenty
Galeria
PLC
Prywatne
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin