instrukcja_cw7.pdf

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

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

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:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: