Виртуальные измерительные системы

Понятие виртуальные приборы (Virtual Instruments) появилось на стыке измери­тельной информационной и компьютерной техники. Виртуальный информационно-измерительный прибор или система - это компьютер, оснащенный набором аппа­ратных и программных средств, выпол­няющий функции информационно-измерительного прибора или системы мак­симально приближенный к решению задачи. В научных исследованиях, диагности­ческих, статистических, интеллектуальных системах, компьютеры используются для решения задач управления измерительны­ми экспериментами, сбора, регистрации, обработки и систематизации данных, представления и хранения результатов на­блюдений. При этом часть функций и операций осуществляется не аппаратно, а про­граммно с помощью персонального ком­пьютера. Аппаратная информационно-измерительная часть приборов и систем реализуется в конструктиве стандартной платы и автономного модуля компьютера. Функции, передаваемые компьютеру, обычно связаны с организацией взаимодействия пользователя и компьютера с привычной для пользователя атрибутикой - панели, ручки управления и др., т.е. в этом случае работа с виртуальными при­борами оказывается аналогичной с тради­ционными приборами и пультами управ­ления.

Информационные технологии вывели из­мерительную технику на новый уровень, позволяющий быстрее и с меньшими за­тратами разрабатывать информационно-измерительные приборы и системы раз­личной сложности: от измерения парамет­ров до ввода и обработки видеоизображе­ний с передачей результатов через внеш­нюю сеть на любые расстояния.

Появление измерительных информацион­ных приборов и систем с применением виртуальных технологий связано с широким распространением персональных компьютеров, имеющих вы­сокое быстродействие, большие объемы памяти, практически неограниченные гра­фические возможности, позволяющие соз­дать функционирующее в реальном мас­штабе времени виртуальные измеритель­ные устройства, с высокой степенью подо­бия, воспроизводящие поведение тех или иных физических приборов и систем;

- с созданием автоматизирован­ных информационно-измерительных сис­тем различного значения, таких, как АСНИ и КИ, физические и космические объ­екты и др.;

- с возможностью реализации в весьма компактной форме приборов и модулей,

- с появлением измерительного программирования (ИП), под которым по­нимается программирование для информа­ционно-измерительной техники и систем, позволяющее ей проводить измерение, контроль, диагностирование или распозна­вание образов, включая функции сбора, передачи, обработки, представления изме­рительной информации и управления из­мерительным экспериментом.

Типовая архитектура ПО ИИС, которая отражает современное представление об измерительном программировании, имеет обычно три уровня: уровень метасистемы, системный уровень, уровень рабочих про­цедур. На метасистемном уровне прово­дится настройка измерительного программного обеспечения (ИПО) в соответ­ствии с различными факторами: требова­ниями пользователей двух нижних уров­ней, аппаратного обеспечения, прикладной области и т.д.

Системный уровень предоставляет воз­можность на базе информации предыду­щего уровня создать измерительную про­цедуру и снабдить ее интерфейсом с поль­зователем в виде виртуальной приборной панели, необходимыми данными о пара­метрах используемых средств и методик измерений, драйверами связи с аппарат­ными исполнителями измерительной про­цедуры и форматами представления ре­зультатов измерений в виде твердой копии или в формате, совместимом с принятым в базе данных.

Нижний уровень отражает выполнение в реальном масштабе времени сформиро­ванной на верхних уровнях рабочей про­цедуры.

Основные особенности, характеризующие новые направления в создании ИИС в сравнении с тра­диционными, приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Замена текстового представления графиче­ским делает представление измерительных данных и процедур более наглядным, не создает языкового барьера, рисунок выра­жает смысл информации в более компакт­ных единицах, например, графическое ПО LabVIEW фирмы National Instruments (США).

Пакет LabVIEW – графическая альтернати­ва обычному программированию - предна­значен для создания измерительных сис­тем и представляет программные средства, которые требуются при работе в области мониторинга, испытаний и измерений. С помощью LabVIEW можно создавать гра­фические программы – виртуальные приборы (ВП), вместо написания традиционных программ.

Программы в LabVIEW именуются ВП, так как способ общения с ними напомина­ет реальные приборы. Виртуальные при­боры играют ту же роль, что и функции в обычных языках программирования, и представляют собой совокупность сле­дующих элементов:

- интенсивного интерфейса с пользователем, называемого лицевой па­нелью, содержащей органы управления и индикаторы, которые управляются с по­мощью мыши или клавиатуры;

- блок-схемы конструируемой на графическом языке и являющейся исход­ным кодом для ВП;

- условного графического символа (пиктограммы), обозначающего ВП, и интерфейса с другими ВП (соединителя), который выполняет ту же роль, что и спи­сок параметров функции или программы в обычных языках программирования.

Программирование управляемым потоком данных находит все большее применение в измерительном графическом программи­ровании (LabView). Программирование, управляемое потоком данных, позволяет избавиться от линейной архитектуры язы­ков, основанных на тексте. Так как поря­док выполнения программы в этом случае определяется потоком данных между уз­лами, а не последовательными строками текста, можно создавать программы, кото­рые имеют многократные маршруты дан­ных и одновременно выполнимые опера­ции. Независимые маршруты данных осу­ществляются параллельно. В обычном языке программирования организация па­раллельных операций требует наличия ме­ханизмов, поддерживающих так называе­мые семафоры, мониторы или рандеву. Параллельные процессы при управлении потоком данных не связаны с дополни­тельными затратами. Объектно-ориентированная технология означает построение программы как на­бора взаимодействующих и независимых объектов (классов), представленных эк­земплярами абстрактных типов данных и обрабатывающих информацию посредст­вом передачи сообщений друг другу. Объ­единяя в единое целое данные и процеду­ры, классы позволяют унифицировать об­ращение к различным типам данных.

Одни классы могут наследовать структуру одного или более других классов, назы­ваемых суперклассами; подклассы опреде­ляют наследуемую от классов специфика­цию более подробно. Наследование дает возможность, используя уже созданные объекты, расширять свойства старых объ­ектов путем изменения внутренних методов. Так как объекты взаимодействуют в программе между собой с помощью неко­торого набора сообщений, то изменение внутренних качеств и сохранение прежне­го стиля соображений позволяет легко мо­дифицировать имеющиеся наработки под новые запросы. Наследование в сочетании с применением виртуальных функций дает возможность использовать такое свойство, как полиморфизм, – однотипное обраще­ние с различными типами данных и функций. Еще одно свойство объектно-ориентированной технологии – инкапсуляция (защита внутренних переменных и ме­тодов объекта от воздействий внешних факторов) дает общее повышение надеж­ности работы и снижение вероятности случайного сбоя ПО. В настоящее время развитие получило на­правление на разработку виртуальных из­мерительных систем, широко использую­щих возможности современных компью­теров, компьютерной графики, перспек­тивных методов и средств измерений, цифровой обработки информации и эф­фективных "plug-and-play" мультимедиа-технологий при создании программного и технического обеспечения. Основные об­ласти применения таких систем следую­щие:

- экспериментальные научные из­мерения и исследования - реализуются как универсальные (функционально ориенти­рованные) приборы в виртуальном испол­нении (осциллографы, анализаторы, гене­раторы, синтезаторы сигналов, мультиметры, вольтметры, частотомеры, мультип­лексоры и др.), так и специальные (про­блемно-ориентированные) системы, при­меняемые в спектроскопии, акусто- и сверхпроводниковой электронике, в поля­ризационных исследованиях оптических светодиодов, изучении распространения электромагнитного излучения в газах и атмосфере, дистанционном зондировании Земли и планет и др.;

- разработка семейства новых уни­версальных компьютерных приборов, син­тезированных программным путем, среди которых можно выделить приборы с блоком оценки и представления точности характеристик прибора и измерений;

- исследовательские моделирующие системы, вскрывающие механизм явлений;

- виртуальные системы учебного назначения: практикумы и тренажеры, электронные каталоги и инструкции к се­рийно выпускаемым приборам, построен­ные на адекватных моделях устройств. Недавно на пути развития технологии программирования приборов появилась новая многообещающая идея. Она называется IVI (Interchangeable Virtual Instruments) – взаимозаменяемые виртуальные инструменты. Основная идея такова. Все приборы одного класса имеют большую, общую для

Основная идея такова: все приборы одного класса имеют большую, общую для

всех приборов, группу функций. Например, все цифровые мультиметры (DMM) измеряют постоянное и переменное напряжение, сопротивление. Они обычно имеют функции управления триггером и другие. Если эти функции выделить в IVI Class Driver для класса DMM Class, то часть программы, отвевающая за управление цифровыми мультиметрами, не будет зависеть от конкретного прибора и его драйвера.

Следует упомянуть повышение качества и надежности приборных драйверов VXIplugplay, что не связано с концепцией классов драйверов IVI Class Driver, a реализуется другими средствами.

Современные программные системы не мыслимы без удаленного доступа. Трудно себе представить ответственную систему, не имеющую, в конечном счете, выхода в Интернет.

В табл. 5.2 схематично показаны этапы и перспективы развития мировых средств измерения и тестирования.

Таблица 5.2

Аппаратные средства	Вх/Вых аппаратного интерфейса	Вх/Вых программного интерфейса	Драйвера и/или команды управления	Программный интерфейс
GRIB       VXI B-C-D-size     VXI C – size	GRIB   GRIB MXI   Embedded   GRIB MXI – 2 Fire Wire   Embedded   GRIB	HP – GRIB NI – GRIB other GRIB   HP – GRIB NI – GRIB other GRIB   HP – VXI NI – VXI MXI Embedded Computer   All above   Trent to VISA   VISA	CIIL R2D2   R2D2     SCPI   2D2 SCPI   VXI pluq&play drivers   R2D2 SCPI+COM   AVI Class Drivers	HP BASIC C Lab VIEW   Visual BASIC C Visual C++   Lab VIEW Lab Windows CVI HP VEE   Visual BASIC C Visual C++ Lab VIEW Lab Windows CVI   Visual BASIC C Visual C++
Продолжение табл. 5.2
VXI PXI	MXI – 2 Fire Wire Embedded		+ IVI Instrument drivers	Lab VIEW Lab Windows CVI HP VEE

Приведем несколько примеров примене­ния виртуальных технологий в создании информационно-измерительных приборов и систем.

Виртуальные приборы DAQ Instruments. Это готовые к применению цифровые ос­циллоскоп (DAQScop), мультиметр (DAQmeter), генератор сигналов (DAQArb) и плата ввода видеосигналов (IMAQ-PCI). Для портативных систем на основе ком­пьютеров notebook используются анало­гичные платы, выполнение в стандарте PCMCIA (сер. DAQcard NI), или устройст­ва, работающие через параллельный порт (N1 DAQPad). Для нормализации реальных сигналов служат отдельные согласующие модули (5В Analoq Devices) или система согласующих модулей (NI-SCXI, Siqnal extension for Instrumentation). В последнем случае в распоряжении находится два ти­па корзин, вмещающих 4 или 12 модулей, обеспечивающих усиление, мультиплекси­рование, питание датчиков, переключение реле, электрическую изоляцию и фильтра­цию сигналов.

Управление SCX1 осуществляется через плату сбора данных, параллельный порт или последовательный канал (1200м) RS-485. Появляется возможность одновремен­ного измерения сигналов от единиц мил­ливольт до 250 В переключения реле (до 6А), работы с несколькими тысячами раз­нородных датчиков и дистанционного сбо­ра данных и управления устройствами. В Московском государственном открытом университете созданы виртуальные гене­раторы частоты, хронопотенциографы, из­мерители холестерина и другие системы использующие DSP-технологии.

На рис. 5.34 приведена панель виртуального хронопотенциографа, с помощью которого можно осуществлять все процедуры измерения содержания химических элементов, разработанного на кафедре ИСИТ Московского государственного открытого университета.

Рис. 5.34. Лицевая панель виртуального хронопотенциографа

Специалистами РКК «Энергия» (Е.В. Диденко и др.) созданы и предлагаются к реализации готовые виртуальные приборы: самописец, анализатор спектра, эквалайзер, генератор.

Самописец. Программируемое число дорожек, калибровка по физическим параметрам, т.е. вывод данных на самописец производится в той размерности, которая удобна пользователю, возможное включения/выключения записи на магнитный носитель. Сервис режим (рис. 5.34) позволяет осуществлять просмотр и фрагментацию данных с записью фрагментов в файл или картотеку лаборатории.

Анализатор спектра. Число гармоник от 2 до 1024. Анализатор позволяет получить амплитуды и фазы гармоник спектра, а также коэффициенты Фурье разложения входного сигнала. Полученные данные могут быть использованы для гармонической аппроксимации этого сигнала (рис. 5.36).

Эквалайзер. Число управляемых гармоник спектра от 2 до 128. Пользователь может произвести подавление или усиление любой гармоники или поддиапазона гармоник спектра исходного сигнала. Результат коррекции немедленно отображается в виде графика результирующего сигнала (рис. 5.37). Такая обратная связь позволяет легко добиваться необходимого качества обработки входных данных.

Рис. 5.35. Лицевая панель самописца

Рис. 5.36. Лицевая панель анализатора спектра

Рис. 5.37. Лицевая панель эквалайзера

Рис. 5.38. Лицевая панель генератора стандартных сигналов

Генератор. Программируемая форма, амплитуда и частота выходного сигнала зависят от выбора аппаратных средств. Возможна генерация пакетов непериодических форм. Как вариант применения этой возможности - запись в картотеку массивов реального сигнала, снятого на объекте, и воспроизведение его на стенде в лабораторных условиях. На рис. 5.38 приведен генератор стандартных и произвольных форм сигналов.