Измерительные информационные системы на основе процессорных средств.

Проблемы компьютеризации измерительных процессоры, судя по публикациям как в отечественной, так и зарубежной научно-технической литературе, начали активно обсуждается и разрабатывается сравнительно недавно, с начала 80-х годов, прошлого столетия.

Объясняется это общими тенденциями в развитии вычислительной техники, темпами ее освоения в измерительной практике, достижениями в разработке проблемы процессорных средств и его технических приложений.

Включение процессора в состав измерительной цепи позволило возложить на программную часть измерительного средства реализацию сложных измерительных преобразований, обеспечивающих выполнение косвенных, совокупных и совместных измерений, статистических измерений, измерений с коррекцией и адаптивных измерений. На этом этапе развитие измерительного математического обеспечения шло в направлении формализованного описания измерительных процедур, обеспечивающего возможность формирования программной части измерительного средства.

Совершенствование принципов построения измерительных средств и, в первую очередь, использование модульного подхода к синтезу как аппаратной, так и программной частей процессорных измерительных средств (ПрИС), привело к созданию средств измерений с открытыми функциональными возможностями, варьируемыми за счет трансформации состава ПрИС. Эта особенность ПрИС в соединении с усложнением реализуемых алгоритмов измерений потребовала формирования адекватных методов метрологического анализа результатов и средств измерений с широким использованием расчетов и имитационного моделирования, выполняемых универсальными или специализированными вычислительными устройствами.

Возможность проведения метрологического анализа определяется, помимо прочего, наличием соответствующего математического обеспечения - математических моделей объектов, условий, процедур и средств измерений и алгоритмов оценивания характеристик погрешностей результатов измерений и метрологических характеристик средств измерений. В том случае, когда метрологический анализ выполняется с помощью встроенных в ПрИС средств, включая вычислительную часть, осуществляется автосопровождение измерений, в рамках которого могут выполняться не только необходимые расчеты и имитационное метрологический эксперимент, выполняемый с образцовых средств, мер, калибраторов и т.п.

Второй этап компьютеризации измерений, который предполагает модульный принцип построения ПрИС и охват измерительным математическим обеспечением метрологического анализа.

Следующий этап связан с приданием ПрИС возможности целенаправленного выбора рационального алгоритма измерений в фиксированной ситуации, определяемой видом измеряемой величины, свойствами объекта, условиями, предъявляемыми к процедуре и средствам измерений требованиями и наложенными ограничениями.

В связи с вышеописанным, в настоящее время сформировалось новое направление в ИИСи метрологии – компьютерно-измерительные системы (КИС). Компьютерно-измерителььная система обязательно включает в себя микропроцессор или компьютер, работающий в режиме реального масштаба времени или, как теперь принято говорить, в режиме on-line.

В последние годы персональные компьютеры используются не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. Компьютерно-измерительные системы на основе персонального компьютера заменяют стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и пр.) системой виртуальных приборов.

Причем ряд этих приборов может быть активизирован (воспроизведен) на
одном персональном компьютере одновременно.

К отличительным особенностям и основным преимуществам компьютерно-измерительных систем по сравнению с микропроцессорными приборами относятся:

· обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ,
доступных для оператора, позволяющий решать широкий круг прикладных задач измерений (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т. д.);

· возможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям (например, сети Internet);

· высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;

· возможность использования внутренней и внешней памяти большой ем­кости;

· возможность составления компьютерных программ для решения конк­ретных измерительных задач;

· возможность оперативного использования различных устройств документирования результатов измерений.

В самом общем случае КИС может быть построена двумя способами: с последовательной или параллельной архитектурой.

Рис. 5.39. Общий вид интеллектуальной системы для учебных целей: а) аппаратное обеспечение NI ELVIS; б) съемная монтажная панель с надежной системой фиксации и различными вариантами подключения сигналов

В КИС с последовательной архитектурой (ее иногда назы­вают централизованной системой) части системы, преобразующие анализи­руемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому вся соответствующая электроника размещается на слотах компьютера. Достоин­ства такой архитектуры построения КИС очевидны: благодаря использова­нию принципа разделения обработки по времени стоимость системы невелика.

В КИС с параллельной архитектурой содержится ряд парал­лельных) каналов измерения, каждый из которых имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т.е. объединения сигналов). По­добный принцип построения КИС позволяет проводить оптимизацию обра­ботки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразова­ние сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника исследуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме.

Рис. 5.40. Обобщенная структурная схема компьютерно-измерительной системы

На рис.5.40 показана обобщенная структурная схема компьютерно-измерительной системы, отражающая как последовательную, так и парал­лельную архитектуру построения.

Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляется с помощью внутренней шины персонального компьютера, к которой под­ключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, прин­тер, плоттер), так и измерительная схема, состоящая из коммутатора, АЦП и блока образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты.

С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы; интерфейсный модуль (ИМ) подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса, коммутатор устройства обеспечивает подачу аналоговых напряжений с внешних датчиков на узлы системы. Достаточно простые узлы КИС можно разместить на одной плате персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе коммутируются необходимые измерительные элементы, т.е. меняется архитектура построения системы.

Одним из элементов КИС является блок образцовых программно управляемых мер напряжения и др. В качестве встроенных образцовых мер напряжения в КИС чаще всего применяются стабилитроны, температурный коэффициент напряжения которых составляет около 2,5×10^-5. Наиболее эффективным способом стабилизации опорного напряжения является термостатирование блока стабилитронов. Термостат поддерживает температуру элементов. около 30°С со стабильностью не менее 0,1°С, Недостатком такой схемы являются достаточно длительный прогрев термостата (до 30 мин), а также большие скачки температуры при включении термостата. Температурные перепады ускоряют процесс старения стабилитронов, а следовательно, снижают их долговременную стабильность.

В настоящее время в КИС имеется возможность учитывать температурную нестабильность элементов программными методами. Для этого в блок стабилитронов вводят датчик температуры и экспериментально определяют зависимость опорного напряжения от температуры. Температура стабилитронов автоматически измеряется и по этой зависимости вводится поправка в величину образцового напряжения.

Аналогично измеряют и учитывают нестабильность частоты кварцевого генератора – меры частоты: сигналы с датчика температуры воз­действуют на варикап, подстраивающий генератор на номинальную частоту. Нестабильность частоты кварцевого генератора может быть снижена до 10^-7. Кварцевый генератор можно использовать в качестве задающего, если в сис­теме необходим синтезатор частоты с дискретной сеткой частот.

В последних разработках КИС предусмотрена возможность определения индивидуальных функций влияния температуры на различные параметры виртуаль­ного прибора: дрейф нуля УПТ, сопротивление переключателей, коэффициенты
передачи различных структурных элементов. Непрерывный контроль температу­ры блоков позволяет автоматически корректировать возникающие погрешности
измерения.