Компьютерные измерительные приборы

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 приборов заключается в простоте управления, лучшем понимании логики работы измерительного устройства, особенно операторами, не владеющими компьютерными технологиями в совершенстве.

Наиболее известная программная  среда конструирования виртуальных  приборов - это система LabView фирмы NI, позволяющая на основе компьютера создать образ реального измерительного прибора. (рис.1.15).

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 приборов обеспечивает широкое использование  готовых (и многократно оттестированных  другими программистами) программных  модулей. Это программы-драйвера устройств  ввода/вывода сигналов, полный набор  математики от элементарной арифметики до сложной обработки сигналов, индикаторы, переключатели и графики на лицевой  панели, функции для работы с массивами  и сложными структурами данных, функции  сетевого взаимодействия и др. LabVIEW имеет более 400 встроенных функций обработки и анализа сигналов, в том числе: FFT, анализ во временной и частотной области, генераторы сигналов, математические функции, интерполяция, и многие другие.

LabVIEW предоставляет широчайший выбор средств для создания пользовательских интерфейсов и представления данных.

Идея использования программной  среды LabView проста: вы создаете виртуальный прибор - VI (Virtual Instrument) - аналог традиционных измерительных устройств. Можно выделить следующие этапы программирования:

•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 внешнего  вида виртуального прибора (эквивалента  передней панели реального средства  измерения) (рис.1.16)

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 соединении входов и выходов блоков проводниками и шинами связи.

 

 

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 относительные  измерения - в качестве базового используется результат первого измерения  после нажатия кнопки относительного режима. При этом индикация может  быть в дБ, %, дБмВт. Также предусмотрены  вычисления результата в виде линейной функции от опытных данных. Протокол работы прибора может быть сохранен на жестком диске в файле данных. Исследуемые сигналы подключаются к разъемам на плате сзади компьютера с помощью длинных соединительных проводов, что не совсем удобно. Специально для использования с ноутбуками фирмой разработана плата аналогичного назначения NI 4050, имеющая интерфейс PCMCIA и подключаемая в боковой слот компьютера.

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 обладает достаточно мощными средствами для  измерения мощности, частоты и  других параметров звука в диапазоне 4-20000Гц. В данном случае речь идет о  звуковой карте, которая может не только измерять, но и генерировать различные по параметрам звуковые колебания. Кроме вышеперечисленного существует возможность подключения к микрофонному входу фотодиода, что еще больше расширяет измерительные возможности компьютера.

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 появятся «эдакие комбайны - всёмеры», и тогда громоздкие полки с десятками килограмм измерительной и генерирующей аппаратуры заменит небольшая опутанная проводами коробочка рядом с системным блоком.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

1. Ошибки измерений физических величин.: учебник / А.Н. Зайдель. – Л.: Наука, 1999.– 108с.
2. Основы физического эксперимента и математическая обработка результатов измерений: учебник / А.П. Кондрашов, Е.В. Шестопалов.– М.: Атомиздат, 1999.– 200с.
3. Основы физических измерений: учеб. пособие / С.Ю. Бурилова, В.М. Мешеренко – Чита, 2002.– 183с.
4. Методы обработки экспериментальных данных и планирование эксперимента. Учебное пособие/М.С. Мецик – Иркутск, Иркутский государственный университет им. А.А. Жданова, 1981г.– 112с.
5. Колесниченко О.,Крамер М. Аппаратные средства РС 2-е издание, - СПб.: BVH-Санкт-Петербург, 1998.- 115с.
6. Скотт Мюллер Модернизация и ремонт персональных компьютеров./ Пер. с англ.-М.:ЗАО «Издательство БИНОМ», 1998г.- 56с.
7. Устройства сбора, обработки и ввода в ПЭВМ аналоговой и цифровой информации: Каталог/Центр АЦП ЗАО «Руднев-Шиляев»- М.,1998г. 
8. Подводная лодка/№1-3. 1999г.
9. http://autoscan.kiev.ua/unilogic.php
10. http://mnogoraznogo.com/catheg_computers/12965_pribory_vydachi_izmeritelnoi_informatsii