Виртуальные измерительные приборы и системы

Глава 18 ВИРТУАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ Атамалян

Общие сведения

Использование компьютерных технологий в контрольно-измерительной аппаратуре позволило создать «виртуальные» измерительные приборы, представляющие собой синтез одной или двух плат сбора данных, персонального компьютера и программного обеспечения.

Открытая архитектура компьютера дает возможность устанавливать платы первичного сбора данных непосредственно в слоты расширения компьютера. Это позволяет компактно разместить на плате расширения процессорной шины ПК такие устройства первичного сбора данных, как АЦП, ЦАП, платы цифрового ввода/вывода. Платы расширения выполняются и в виде самостоятельного блока, подключаемого к порту компьютера.

Многофункциональные и специализированные платы расширения, добавленные к компьютеру и оснащенные необходимым программным обеспечением (LabVIEW, LabWindows, PcLab 2000), дают возможность экспериментатору создавать свои виртуальные приборы. Эти приборы обладают всеми вычислительными возможностями компьютера, могут выполнять любые задачи по сбору и обработке данных, их представлению и хранению, выполняют масштабирование, статистический анализ, временной и спектральный анализ. Представление данных и результатов анализа также реализуется при помощи компьютера с использованием компьютерной графики, позволяющей создавать с помощью программных средств передние панели прибора. Это новый класс быстродействующих готовых к работе программируемых приборов.

На базе компьютера может быть реализован целый комплекс виртуальных приборов: цифровых осциллографов, мультиметров, генераторов сигналов произвольной формы, анализаторов спектров, логических анализаторов состояний для тестирования цифровых интегральных схем и др.

Достоинства измерительных приборов на основе компьютера:

- неограниченное фиксирование данных;

- неограниченные возможности отображения;

- расширенная функциональность;

- встроенные мультимедийные инструкции оператора по процедуре измерения (текст, изображение и др. );

- настраиваемый пользовательский интерфейс;

- доступ в Интернет для обмена данными;

- связь с корпоративными базами данных и информационными системами;

- автоматическое создание отчетов;

- высококачественная печать;

- самокалибровка;

- самодиагностика.

Приборы на основе ПК по функциональным возможностям эквивалентны традиционным измерительным приборам.

Разработанная программная панель, похожая на панель измерительного прибора, системные программы расширяют и облегчают практическое взаимодействие с прибором. При этом пользователь может компоновать множество передних панелей конкретного прибора, каждая из которых соответствует его определенной функции и может динамически заменяться другой с помощью простой программной инструкции или оператора. Можно использовать даже несколько виртуальных приборов, одновременно отображая их передние панели в нескольких окнах.

В табл. 18.1 приводятся сравнительные характеристики контрольно-измерительной аппаратуры, выполненной по традиционной и виртуальной технологиям.

Таблица 18. 1

Концепцию виртуальных приборов предложила американская фирма National Instruments, которая на сегодняшний день предлагает ряд интересных разработок. Виртуальные приборы весьма перспективны и имеют большое будущее.

Плата сбора данных

Характеристики виртуальных приборов, такие, как динамический и частотный диапазоны обрабатываемых сигналов, погрешность измерения, чувствительность, разрешение, определяются параметрами платы. Как правило, одна плата выполняет множество функций, включая аналоговый ввод-вывод, аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование, цифровой ввод-вывод, операции счетчика и таймера. При использовании нескольких плат возможно выполнение расширенных функций таймера и системы синхронизации для сложных измерений.

Стандартные платы сбора данных (DAQ – Data acquisition board), устанавливаемые в слоты компьютера, содержат от 8 до 64 каналов ввода-вывода как аналоговых, так и цифровых. Обычно частоты выборки данных, обеспечиваемые вставными платами ввода-вывода, лежат в диапазоне от 1 до 500 кГц. Кроме того, можно сохранять данные на диске в реальном времени. Если скорость сбора информации не очень высока в реальном времени, то можно выполнять и анализ отображения.

Вставляемая плата непосредственно подключается к шине компьютера, за каждым блоком платы закрепляется определенный адрес, входящий в адресное пространство памяти компьютера. Таким образом, плата сбора данных после установки в разъем компьютерной шины (ISA, PСI) становится частью компьютера – как аппаратно, так и программно. Данные измерений передаются с плат сбора данных по максимально эффективному пути – через локальную шину ПК. Поэтому ПК может управлять встроенной платой с максимально возможной скоростью. Обмен данными может происходить параллельно на высоких скоростях не только под управлением процессора, но и с помощью прямого доступа к памяти (DMA – Direct memory access).

Для присоединения устройств ввода-вывода к ПК применяются следующие стандартные внешние интерфейсы: универсальные последовательные RS-232, GPIB, USB, IEEE-1394. Выбор типа интерфейса зависит от задачи измерений. Типовая структурная схема платы сбора данных представлена на рис. 18.1.

Рис. 18. 1. Типовая структурная схема платы сбора данных

Блок аналогового ввода обеспечивает согласование внешнего измеряемого сигнала с входным напряжением АЦП, преобразование этого сигнала в цифровой код и передачу кода на внутреннюю цифровую шину устройства сбора данных. Блок состоит из коммутатора с 16 входными каналами (или 8 дифференциальными входами), усилителя с программируемым коэффициентом усиления. Выбор номеров канала задается программно.

АЦП служит для преобразования аналогового сигнала в цифровой код и передачи на внутреннюю шину данных. Наиболее распространенными являются АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания).

Для запоминания входного сигнала на время преобразования служит устройство выборки и хранения, часто встроенное в АЦП.

Диапазон входного напряжения АЦП и его разрядность определяют значение ступени квантования, от которого зависит погрешность квантования напряжения. Например, для 12-разрядного АЦП с рабочим диапазоном напряжения ±5 В ступень квантования составляет 1/2¹² = 10/4096 = 2,4 мВ. Другой характеристикой АЦП является минимальный шаг дискретизации (например, 1 мкс), который зависит от времени преобразования микросхемой АЦП аналогового напряжения в цифровой код.

Запуск АЦП может происходить программно путем записи определенного цифрового кода по адресу АЦП или по сигналам таймера.

Блок аналогового вывода состоит из буферного регистра выходного кода и цифроаналогового преобразователя, преобразующего цифровой код, выданный процессором компьютера, в аналоговый сигнал. Программирование аналогового выхода дает возможность создавать генераторы сигналов различной формы.

Таймер – программируемый генератор тактовых импульсов – формирует импульсы запуска АЦП. Таймер работает как счетчик импульсов с регулируемым коэффициентом деления частоты, который после отсчета определенного числа импульсов вырабатывает сигнал запуска АЦП. Шаг дискретизации АЦП устанавливается программно путем записи цифрового кода в регистр управления таймером. Таймер имеет три канала, два из которых управляют работой АЦП, а третий доступен пользователю (аппаратно и программно). Этот канал можно использовать для счета внешних импульсов, поступающих в канал таймера, измерения их частоты и генерирования прямоугольных импульсов с регулируемой частотой.

Блок цифрового ввода-вывода служит для формирования сигналов управления различными внешними устройствами. Обмен данными с внешними цифровыми устройствами осуществляется путем чтения байта из буфера вывода и записи байта в буфер ввода. Цифровой выход имеет повышенную нагрузочную способность для подключения внешних устройств.

Блок сопряжения обеспечивает согласование между внутренней шиной устройства ввода-вывода и системной магистралью ПК. В его состав входят буферные цифровые регистры, дешифраторы адреса, ОЗУ, формирователи запросов на прерывание и прямой доступ к памяти ПК. Буферные регистры предназначены для электрического согласования двух магистралей: электрической развязки и передачи сигналов в определенном направлении. Дешифратор адреса служит для распознавания адресов своих блоков среди адресов на магистрали ПК. Оперативное запоминающее устройство в блоке сопряжения применяется для промежуточного накопления данных, когда требуется высокая скорость приема данных. Процесс обмена данными между блоком сопряжения и ПК обеспечивается формирователем запросов на прерывание и прямой доступ к памяти.

Программирование устройств ввода-вывода заключается в записи команд, по которым считываются и записываются цифровые коды по определенным адресам в заданной последовательности. Результатом выполнения программ может быть запись данных в файл в семиразрядном коде ASCII или выработка определенных команд, подаваемых на выходной разъем платы для управления внешними устройствами. В зависимости от измерительной задачи могут быть использованы различные готовые программы.

При использовании платы для измерений в качестве многоканального цифрового осциллографа сигналы записываются в файлы на жестком диске ПК, для обработки записанных сигналов используются специальные программы LabVIEW, Data Analysis and Digital Signal Processing (DADiSP). Программа DADiSP дает возможность проводить математическую обработку мгновенных значений сигнала с помощью математических операций (сложения, вычитания, умножения, деления), математических функций (sin, cos, exp), дифференцирования и интегрирования. Программа обработки сигнала является многооконной (8¸10). Окна служат для загрузки исследуемых сигналов и отображения преобразованных сигналов, прошедших математическую обработку. Наличие стабилизированного источника опорного напряжения, встроенного в АЦП, позволяют программным путем откалибровать окно ПК в В/дел. и Время/дел.