Компьютерные измерительные приборы

Компьютерные  измерительные устройства

Главные недостатки микропроцессорных  приборов - невысокое быстродействие, ограниченный объем памяти, малая  разрядность (наиболее дешевые 8-разрядные  МПС имеют разрешающую способность 1/256 =0.4%, что для современных измерений  недостаточно). Использование 12-16 разрядных  МПС увеличивает стоимость и  снижает быстродействие. Ограниченный объем ПЗУ не позволяет хранить  программы большого размера. Простые  программы малоинтеллектуальны, требуют  вмешательства оператора, а при  этом появляется вероятность ошибочных  действий. Требуются специальные  методы программирования. Кроме этого, нестандартные блоки приборов вызывают их удорожание и сложности в ремонте.

Один из путей улучшения  ситуации состоит в использовании  универсальных персональных компьютеров  в составе измерительной установки. Она включает персональный компьютер, соединенный с измерительными блоками  и программное обеспечение для  выполнения измерений.

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 преобразователей, которую называют DAQ ( Data Aqusition) Board. Она имеет стандартный интерфейс для связи с компьютером. Нашли распространение несколько типов интерфейсов - по шине ISA, PCI, CompactPCI, PCMCIA, USB и др. В состав плат входят следующие узлы и блоки:

1) аналоговые входы для  подачи измерительных сигналов. Они могут быть изолированными от общего провода, дифференциальными, специализированными для определенного типа датчиков (например, термопар)

2. Усилители аналоговых сигналов
3. фильтры помех и наводок
4. преобразователи формы сигналов, детекторы ВЧ сигналов
5. функциональные корректоры характеристик датчиков
6. мультиплексоры сигналов
7. Аналого-цифровые преобразователи
8. аналоговые выходы для питания датчиков, создания эталонных сигналов и пр.
9. цифро-аналоговые преобразователи для генерации тестовых сигналов
10. цифровые блоки ввода/вывода для сигналов управления и ввода цифровой измерительной информации
11. Таймеры и счетчики - для измерения временных интервалов и синхронизации работы блоков
12. 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:

1. 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).
2. Платы цифрового ввода/вывода.
3. Платы таймер/счетчик. Содержит счетчик входных импульсов и образцовый генератор временных интервалов(таймер). Платы позволяют построить электронно-счетный частотомер и измеритель временных интервалов.
4. 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.

 

5. Платы функциональных генераторов сигналов. Это платы содержат ЦАП и позволяют программно задавать любую форму выходного аналогового 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

6. 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 подключения  сигналов с задней панели компьютера. Особенно это неудобно в промышленных  условиях проведения измерения.  Для такого случая предусмотрена модульная система согласования м коммутации измерительных сигналов SCXI (Signal Conditioning Extensions for Instrumentation). Модули служат интерфейсом для подключения разнообразных датчиков и сигналов и повышают качество измерений путем усиления, изоляции, мультиплексирования, фильтрации. Они включают блоки питания датчиков, устройства выборки и хранения и коммутации сигналов. Это шасси является, по сути, высокоскоростным коммутатором сигналов и снабжено интерфейсом SCXIbus, который содержит аналоговые и цифровые линии передачи. Скорость передачи информации по интерфейсу от 333Кслов/с в мультиплексном режиме до 1,2 Мслов/с в параллельном режиме. Шасси связывают многопроводной линией передачи с измерительной платой , включаемой в системную шину компьютера. Весьма актуальным является применение системы SCXI для ноутбуков и других малогабаритных компьютеров, где применение большого количества измерительных плат невозможно (обычно можно использовать не более двух с интерфейсом PCMCIA).Другим способом создания КИУ на основе измерительных плат - это использование модульных измерительных систем, базирующиеся на открытом промышленном стандарте PXI (PCI eXtention for Instrumentation). Они обладают всеми преимуществами технологии ПК, такие как низкая стоимость, простота использования и гибкость (рис.1.10). Достигается относительно невысокая стоимость аппаратуры ввиду совместимости по многим параметрам с обычными PCI-устройствами и полной программной совместимости с обычными ПК-технологиями (операционная система Windows, технология Plug&Play и т.д.). PXI система представляет собой шасси на базе встроенной высокоскоростной шины CompactPCI, в которое могут быть установлены модули ввода/вывода. Такая шина допускает установку до 8 PCI-устройств (в обычном ПК не больше 4). Фронтальное расположение модулей расширения обеспечивает минимальное время замены модуля и подключения сигналов.

 

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 клавиатуры. Для реализации удаленного управления PXI используют сетевые PXI контроллеры, которые обеспечивают передачу данных и управление устройством через Интернет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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:

1. 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.