Компьютерные измерительные приборы
Компьютерные измерительные устройства
Главные недостатки микропроцессорных
приборов - невысокое быстродействие,
ограниченный объем памяти, малая
разрядность (наиболее дешевые 8-разрядные
МПС имеют разрешающую
Один из путей улучшения
ситуации состоит в использовании
универсальных персональных компьютеров
в составе измерительной
Можно выделить два принципа использования компьютеров в измерительной технике:
- Создание измерительно-вычислительного комплекса на основе измерительной системы со стандартным интерфейсом. Соединение простых автономных приборов в систему, обменивающуюся данными с компьютером - очевидный путь объединения измерительных блоков и вычислительных средств. Это направление будет рассмотрено в следующей главе, однако отметим, что создание измерительной системы в ряде случаев избыточно и дорого из-за необходимости реализации стандартного интерфейса.
- Использование персонального компьютера с измерительными преобразователями в виде плат ввода/вывода, включаемыми в системную шину компьютера или соединенными с ним простыми средствами связи. Такие приборы будем в дальнейшем называть компьютерными измерительными устройствами (КИУ).
Преимущества КИУ:
- Универсальный компьютер - достаточно простой и доступный инструмент, используемый не только для измерений.
- Не требуется обучения оператора (при повальной компьютерной грамотности)
- Компьютер имеет высокое быстродействие, большую разрядность (32 или 64 бит) и объем памяти, причем ее размер легко может быть увеличен
- Большой объем стандартного программного обеспечения (операционные системы, программы управления компьютером, стандартные среды обработки данных типа Матлаб, Маткад и пр.)
- Стандартные, высокопроизводительные и надежные методы программирования на языках высокого уровня
- Большая емкость постоянной памяти (жесткие диски и др.)
- Легкость смены и обновления программного обеспечения, возможен взаимообмен ПО и использование собственных разработок
- Легкость включения КИУ в компьютерные сети и глобальную сеть Интернет.
Реализация КИУ может идти:
- «от измерительного прибора» - используется установка, включающая конструктивно самостоятельные измерительные блоки, связанные с компьютером простыми стандартными средствами передачи информации, а также специализированные компьютеры в промышленном исполнении, включающие измерительные устройства и блоки;
- «от компьютера» - универсальный компьютер, использующий встраиваемые измерительные платы (наиболее распространенный вариант) или выносные платы и блоки, связанные с компьютером по его портам LPT, COM, по системной шине компьютера- то есть стандартным для компьютера способом.
Рассмотрим варианты построения КИУ, которые реализуются одной из наиболее известных фирм в этой области National Instruments (г. Остин, Техас, США). (www.ni.com). Эта относительно молодая компания сумела за двадцать с лишним лет своего существования стать лидером в области использования ПК-технологий для решения широкого круга измерительных задач и задач управления. Основная особенность всех продуктов National Instruments - максимальное использование открытых, широко распространенных технологий для решения как простых, так и очень сложных задач измерений и управления. Перечень выпускаемых National Instruments программ и устройств едва умещается в почти 1000- страничный каталог. Компания входит в 200 наиболее успешно развивающихся компаний США.
Основой построения КИУ является
плата измерительных
1) аналоговые входы для подачи измерительных сигналов. Они могут быть изолированными от общего провода, дифференциальными, специализированными для определенного типа датчиков (например, термопар)
- Усилители аналоговых сигналов
- фильтры помех и наводок
- преобразователи формы сигналов, детекторы ВЧ сигналов
- функциональные корректоры характеристик датчиков
- мультиплексоры сигналов
- Аналого-цифровые преобразователи
- аналоговые выходы для питания датчиков, создания эталонных сигналов и пр.
- цифро-аналоговые преобразователи для генерации тестовых сигналов
- цифровые блоки ввода/вывода для сигналов управления и ввода цифровой измерительной информации
- Таймеры и счетчики - для измерения временных интервалов и синхронизации работы блоков
- цифровые сигнальные процессоры (DSP - digital signal processor) - специализированные микропроцессоры для обработки преобразованных сигналов прямо на плате. Их использование позволяет повысить быстродействие КИУ за счет разгрузки основного процессора компьютера и применяется для работы с быстрыми сигналами в реальном масштабе времени. Например, сигнальный процессор может решить задачу спектрального анализа в реальном масштабе времени, производя операцию быстрого преобразования Фурье над дискретизированным входным сигналом непосредственно на измерительной плате.
Платы, используемые для создания КИУ, можно разделить на несколько групп:
- Универсальные многовходовые платы сбора данных. применяется для устройств сбора информации от большого количества датчиков. Обычно содержат как аналоговые, так и цифровые входы и выходы. На рис 1.6. показана плата NI PCI6230, которая имеет 8 аналоговых входов, 16 разрядный АЦП со скоростью преобразования 250 Кслов /с, 4 аналоговых выходов (16 битный ЦАП), 6 цифровых входов, 4 цифровых выхода).
- Платы цифрового ввода/вывода.
- Платы таймер/счетчик. Содержит счетчик входных импульсов и образцовый генератор временных интервалов(таймер). Платы позволяют построить электронно-счетный частотомер и измеритель временных интервалов.
- Платы быстродействующих АЦП, реализующих возможность осциллографирования сигналов. На рис. 1.7 представлена плата быстродействующего осциллографа NI PCI 5114. Она позволяет построить двухканальный быстродействующий цифровой осциллограф с о скоростью преобразования 250 Кслов/с в реальном масштабе времени и до 5 Гслов/с в стробоскопическом режиме для повторяющихся сигналов. Плата имеет встроенную память 256 Мб и обеспечивает анализ сигналов от 40 мВ до 40 В.
- Платы функциональных генераторов сигналов. Это платы содержат ЦАП и позволяют программно задавать любую форму выходного аналогов
ого сигнала. В качестве примера можно привести палату NI PCI 5412, которая содержит 14- битный ЦАП, работающий с тактовой частотой до 100 Мслов/с, что позволяет обеспечить диапазон частот до 20 МГц.
Рис. 1.7
- Платы многофункциональных измерителей параметров сигналов. Это прежде всего универсальные мультиметры (DMM - Digital MultiMeter). Содержат, кроме АЦП, набор функциональных преобразователей, расширяющих список измеряемых физических величин ( напряжение, ток, сопротивление и др.). На рис. 1.8 приведен внешний вид мультиметра NI 4065, который позволяет измерять постоянное и переменное напряжение и ток, активное сопротивление и проверять p-n переходы полупроводниковых диодов. Мультиметр имеет разрешающую способность 6 ^ десятичных разряда, быстродействие до 3000 измерений в секунду.
Недостатком встраиваемых
плат является сложность
Модульный конструктив (Евромеханика 3U, 6U) CompactPCI используется в промышленных компьютерах, где требуется повышенная надежность и производительность.
Высоконадежные соединители обеспечивают многократные циклы установки модулей и повышают вибростойкость.
Использование шины PCI обеспечивает значительно большую производительность по сравнению с другими шинами. Пропускная способность шины PCI составляет 132 Мбайт/с (32 разряда, 33 МГц). Это более чем в 100 раз превышает, пропускную способность GPIB интерфейса. Кроме того, PXI имеет дополнительные линии тактирования и синхронизации, что обеспечивает высокий уровень интеграции отдельных модулей.
Стандарт PXI был введён в 1997 году как открытый промышленный стандарт альянсом PXISA (PXI Systems Alliance www.pxisa.org ), состоящим из 68 компаний, которые сейчас производят более тысячи различных PXI продуктов. Подбирая PXI модули из широкого диапазона измерительных устройств, производимых компаниями-членами PXI альянса, можно создавать системы для различных приложений, от комплексных измерений до автоматизированного контроля качества.
Стандарт PXI использует PC-совместимое оборудование и платформу Windows. Система PXI включает в себя корзину-шасси, в слоты которого вставлены PXI-совместимые платы- модули, аналогичные по назначению рассмотренным выше. Одно PXI шасси может содержать до 7 измерительных модулей. (рис.1.11)
Для PXI также заданы жесткие требования по электромагнитной совместимости, питанию и вентиляции модулей. Не лишним будет упоминание о виброзащищенности конструкции Левый PCI-слот в корзине PXI предназначен исключительно для размещения компьютерного модуля системного контроллера . Слева от системного слота оставлено свободное место для расширения устанавливаемого компьютера. Справа остается семь свободных PCI-слотов для модулей ввода/вывода (их количество можно увеличить до 13 с помощью моста PCI-PCI). Шасси может быть связано с внешним персональным компьютером с помощью контроллеров и последовательной линии связи. Например, интерфейсный набор PXI-PCI 833x позволяет управлять PXI системой непосредственно с персонального компьютера, используя прозрачное для пользователя высокоскоростное последовательное соединение MXI-4. Применяя данный интерфейс, можно использовать современные настольные ПК, имеющие низкую стоимость и высокую производительность, для управления PXI системами. MXI-4 состоит из PCI платы, встраиваемой в ПК и PXI модуля, встраиваемого в 1первый слот PXI шасси. Плата и модуль связаны медным или оптоволоконным кабелем (рис.1.12).
Кроме этого MXI-4 может также использоваться для объединения нескольких PXI шасси в составе одной системы (рис.1.13)
Другой вариант - использование контроллера - модуля персонального компьютера формата CompactPCI, вставляемого в шасси (рис.1.14).
В этом случае установка включает в
себя собственно шасси с контроллером
и измерительными блоками и подключенными
к контроллеру дисплея и
Программное обеспечение КИУ. Виртуальные приборы
Программное обеспечение КИУ - основа создания виртуального прибора. Именно программное обеспечение определяет функцию прибора, его назначение и основные характеристики, степень автоматизации и пр. ПО КИУ делится на:
- Базовое - драйверы плат, библиотеки драйверов. Часто поставляются в виде расширения широко распространенных языков программирования. Сюда можно отнести и законченные специализированные программы управления измерительными платами и блоками, проблемно-ориентированные программы для решения ограниченного круга измерительных задач. Это обеспечение поставляется вместе с измерительными платами.
2. Универсальное - комплексы программ, рассчитанные на реализацию измерительных задач разного типа и ориентированные на работу с различными платами. Сюда относят прикладные проблемно-ориентированные пакеты программ и инструментальные пакеты для сбора, обработки и визуального представления информации.
3. Программы, реализующие виртуальные приборы (ВП) (VI -Virtual Instruments). Под виртуальным («кажущимся») прибором понимают средство измерений для сбора, обработки и визуального представления измерительной информации, построенное на базе персональных компьютеров (ПК) и встраиваемых в компьютер многофункциональных и многоканальных измерительных плат. В виртуальных приборах могут использоваться также программно-управляемые внешние модули предварительной обработки сигналов и автономные измерительные приборы с различными интерфейсами. В отличие от традиционных средств, их функции, пользовательский интерфейс, алгоритмы сбора и обработки информации определяются пользователем, а не производителем. Эти средства называются виртуальными по двум основным причинам:
* С помощью одного и того же аппаратного и программного обеспечения можно сконструировать систему, выполняющую совершенно различные функции и имеющую различный пользовательский интерфейс.
* Управление такими системами, как правило, осуществляется через графический пользовательский интерфейс (Graphics User Interface - GUI) при помощи технологии Drag-and-Drop("Перенёс и положил") с использованием манипулятора «мышь» и виртуальных элементов управления, расположенных на виртуальных приборных панелях.
Виртуальные приборы являются компьютерными измерительными устройствами, построенные на следующих типах аппаратного обеспечения:
- Встраиваемые платы сбора данных (DAQ boards).
- Платы со встроенными процессорами (DAP - boards), в том числе и со специализированными сигнальными процессорами
- Программно-управляемые внешние модули предварительной обработки и коммутации сигналов типа SCXI
- Законченные программно-управляемые приборы, работающие с различными интерфейсами (RS-232Q IEEE488 ( GPIB), VXI и др.)
Управление виртуальным
прибором состоит в имитации нажатия
кнопок на экране, поворота ручек и
пр. Достоинство виртуальных
Наиболее известная
LabVIEW сегодня самое популярное средство программирования измерительных и управляющих компьютерных комплексов. Среднестатистический пользователь LabVIEW - инженер, ученый, разрабатывающий реальную компьютерную систему ввода/вывода и обработки сигналов различной природы (температура, звук, видео и др. или их модели), человек, который не может окунаться в тонкости программирования для современных операционных систем. Когда конфигурация и функциональная схема системы определены, вопрос рутинного программирования становится зачастую камнем преткновения и главным тормозом в работе. Более десяти лет назад National Instruments предложила и запатентовала новый, графический язык программирования "G", являющийся основой системы LabVIEW. Оперируя знакомыми понятиями: функциональный блок, соединение, диаграмма, инженер быстро и наглядно решает поставленную задачу, не углубляясь в дебри программирования.
Таким средством программирования может воспользоваться любой человек, знакомый с функциональными блок-диаграммами, а не только высококвалифицированный программист. По самым скромным оценкам у разработчиков на LabVIEW сроки выполнения работ сокращаются как минимум в 4-10 раз. Если при этом принять во внимание, что LabVIEW компилирует графические картинки (блок-диаграммы) в высокоэффективный машинный код, что обеспечивает высокую скорость выполнения программ, то популярность такого решения становится понятна.
Высокую надежность программного
обеспечения виртуальных
LabVIEW предоставляет широчайший выбор средств для создания пользовательских интерфейсов и представления данных.
Идея использования
•Выбор или создание блоков , отвечающих за взаимодействие с аппаратной частью КИУ. В данном случае их называют драйверами плат, блоков, приборов. Для большинства широко используемых плат такие драйвера уже разработаны и поставляются вместе с платами.
•Выбор элементов
управления и разработка
Она включает в себя различные компоненты ввода и вывода - кнопки, регуляторы вращения и перемещения (слайдеры), ввод численных значений и индикаторы результаты (числовые и графические) (рис.1.17 )
• Разработка внутренней структуры прибора, отражающей алгоритм функционирования ,потоки сигналов и их преобразование. Функционирование такого прибора определяет блок-диаграмма (например, рис. 1.18).
Практически все блоки схемы являются стандартными, находящимися в библиотеке системы LabView. Классификация элементов блок-схем LabView представлена на диаграммах рис.1.19 -рис1.21)
Собственно создание схемы,
которое заключается в
Отладка и тестирование виртуального прибора. Производят путем подачи образцовых сигналов на входы, контролем выходных сигналов плат Виртуальный прибор позволяет осуществлять модульный принцип построения - на основе подпрограмм - субприборов (SubVI), что позволяет реализовать объектно-ориентированный принцип программирования. Иерархия модулей в программах LabView представлена на диаграмме рис.1.22
Среда LabView - это интерпретатор, однако существуют и программные средства высокого уровня для создания исполняемых модулей, не требующих установки интерпретатора (рис. 1.23).
Это прежде всего LabWindows/Cvi - полнофункциональная среда разработки виртуальных приборов на базе языка С. В состав среды входя библиотеки ввода/вывода, анализа и визуализации сигналов, пользовательского интерфейса и др. Среда сочетает интерактивный, простой в использовании подход и гибкостью и мощью программирования компилированного С кода.
Другой подход реализован в пакете Measurement Studio. Это интегрированный набор инструментов и библиотек классов для программной среды Visual Studio компании Микрософт, ориентированный на языки Visual C++, Visual Basic, Visual C#. Measurement Studio содержит набор ActшX и .Net компонентов, которые интегрируются в среду разработки Visual Studio и используются при создании виртуальных приборов. Они дают возможность конфигурировать встраиваемые платы сбора данных, измерительные приборы со стандартными интерфейсами GPIB, VXI, PXI, RS232C. Набор элементов управления позволяет строить пользовательский интерфейс виртуального прибора. Мощные механизмы взаимодействия по сети позволяют передавать данные измерения через Интернет. Возможные пути интеграции продуктов среды LabView с другими технологиями программирования и средами представлены на диаграмме рис.1.24
В качестве простого примера реализации виртуального прибора рассмотрим цифровой мультиметр NI 4060, построенный на основе платы, включаемой в системный PCI слот персонального компьютера. Вид передней панели, воспроизводимой на экране монитора, представлен на рис. 1.25.
Он имеет регулируемую разрешающую способность (от 3.5 до 5.5 ), следующие режимы работы: измерение постоянного и переменного напряжения, сопротивления по двух- и четырехпроходной схемам подключения, измерение напряжения отсечки диодов и температуры с помощью внешнего термисторного датчика. Основная погрешность измерения напряжения 0.0032% (постоянный ток) и 0.16% - переменный ток, погрешность изменения сопротивления порядка 0.06%.
Установка режима и диапазона
измерений осуществляется нажатием
"виртуальных" кнопок на панели. Прибор
работает в режиме непрерывных и
разовых измерений. Предусмотрен также
запуск от внешнего источника импульсов.
Математическая обработка опытных
данных позволяет проводить
Отметим, что аналогичны модульный принцип проектирования виртуальных приборов используют и другие фирмы- изготовители измерительной техники. В качестве примера упомянем Agilent VEE (Visual Engeneering Environment) - среду программирования измерительных задач путем создания блок-схем. Это позволяет легко создавать, тестировать и обновлять программные продукты инженерам и научным работникам, не имеющим квалификации программиста. Среда VEE поддерживает взаимодействие между модулями по стандартным интерфейсам GPIB, LAN, USB, RS232C, VXI, PXI, а также встраиваемых карт различных производителей. VEE обеспечивает поддержку MATLAB скриптов и блоков обработки сигналов, что позволяет использовать более 1700 функций MATLAB. Более 500 наиболее популярных подпрограмм обработки и вывода сигналов встроено в среду VEE.
Заключение
В этой работе были рассмотрены различные варианты подключения к персональному компьютеру измерительных приборов.
Мы выяснили, что в зависимости от задач можно присоединить как отдельное цифровое измерительное устройство, так и целый измерительный комплекс как во внутрь корпуса, так и в отдельный блок.
На данном этапе развития программного обеспечения мы видим достаточно большой выбор производителей. В зависимости от поставленных задач мы можем получить необходимые драйверы для устройств, так же их обновления, которые позволяют в полной мере использовать потенциалы устройств, а графические оболочки предоставить информацию в наглядном виде. Благодаря высокой функциональности зачастую требуется не расширить функции прибора, а наоборот, свести их к минимуму, чтобы не получать лишней информации. Программное обеспечение вполне это позволяет, как позволяет менять конфигурацию виртуальных приборов «на лету», вести запись и обработку полученных данных и все это на операционных системах типа WINDOUS и МАС.
Кроме рассмотренных выше
специализированных программно-аппаратных
комплексов надо отметить что любой
современный компьютер уже
В настоящее время создание
и продвижение на рынок измерительных
комплексов, работающих совместно с
компьютером – это динамично
развивающаяся сфера бизнеса
с высоким уровнем конкуренции.
По прогнозам некоторых аналитиков
уже в недалеком будущем
Список использованных источников
- Ошибки измерений физических величин.: учебник / А.Н. Зайдель. – Л.: Наука, 1999.– 108с.
- Основы физического эксперимента и математическая обработка результатов измерений: учебник / А.П. Кондрашов, Е.В. Шестопалов.– М.: Атомиздат, 1999.– 200с.
- Основы физических измерений: учеб. пособие / С.Ю. Бурилова, В.М. Мешеренко – Чита, 2002.– 183с.
- Методы обработки экспериментальных данных и планирование эксперимента. Учебное пособие/М.С. Мецик – Иркутск, Иркутский государственный университет им. А.А. Жданова, 1981г.– 112с.
- Колесниченко О.,Крамер М. Аппаратные средства РС 2-е издание, - СПб.: BVH-Санкт-Петербург, 1998.- 115с.
- Скотт Мюллер Модернизация и ремонт персональных компьютеров./ Пер. с англ.-М.:ЗАО «Издательство БИНОМ», 1998г.- 56с.
- Устройства сбора, обработки и ввода в ПЭВМ аналоговой и цифровой информации: Каталог/Центр АЦП ЗАО «Руднев-Шиляев»- М.,1998г.
- Подводная лодка/№1-3. 1999г.
- http://autoscan.kiev.ua/
unilogic.php - http://mnogoraznogo.com/
catheg_computers/12965_ pribory_vydachi_izmeritelnoi_ informatsii

- Компьютерные и информационные технологии
- Компьютерные, информационные и сетевые технологии. Области их применения
- Компьютерные информационные системы в аудите
- Компьютерные новости
- Компьютерные обучающие системы
- Компьютерные обучение - "новые технологии": использование интернет - ресурсов на уроках английского языка
- Компьютерные переводчики
- Компьютерные глобальные сети
- Компьютерные игры
- Компьютерные игры
- Компьютерные игры
- Компьютерные игры для обучения иностранным языкам
- Компьютерные игры как причина психических расстройств
- Компьютерные издательские системы