Wirtualne przyrządy pomiarowe

1
WIRTUALNE PRZYRZĄDY POMIAROWE
1. CEL ĆWICZENIA
Ćwiczenie ma na celu zapoznanie się z moŜliwościami wirtualnych przyrządów
pomiarowych, tworzonych przez połączenie przyrządu autonomicznego z komputerem, na
którym zainstalowano odpowiednie oprogramowanie.
2. WPROWADZENIE
Wraz z rozwojem nauki i techniki obserwuje się ewolucję przyrządów pomiarowych.
Zmianie ulegają zarówno sposoby przetwarzania sygnałów, metody konstruowania
przyrządów, jak i sposoby korzystania z urządzeń pomiarowych oraz stopień ich wzajemnej
integracji.
Pierwszą generacją przyrządów pomiarowych były przyrządy wskazówkowe, zwane
analogowymi. Wartość wskazana przez przyrząd analogowy była proporcjonalna do kąta
wychylenia wskazówki.
Drugą generację przyrządów pomiarowych stanowią autonomiczne przyrządy cyfrowe. W
przyrządach tych wynik przedstawiany jest na wyświetlaczu w postaci liczby o określonej
liczbie cyfr znaczących. Odczyt eliminuje moŜliwość powstania błędu paralaksy podczas
odczytu.
Do przyrządów trzeciej generacji zalicza się tzw. przyrządy „systemowe”, które oprócz pracy
w trybie autonomicznym (jako samodzielne urządzenia pomiarowe) mogą być sterowane i
obsługiwane za pomocą komputera. Jest to moŜliwe dzięki wyposaŜeniu tych przyrządów w
odpowiedni interfejs cyfrowy.
Przyrządy tego rodzaju mogą być wykorzystane w
zautomatyzowanym systemie pomiarowym. Wynik pomiaru w odpowiednim kodzie
przesyłany jest do komputera lub innego urządzenia. Pozwala to na wyeliminowanie
moŜliwości omyłki podczas odczytywania wyniku przez człowieka oraz na
zautomatyzowanie pomiarów. Standaryzacja interfejsów znacząco wpłynęła nie tylko na
dalszy rozwój i ewolucję przyrządów pomiarowych, lecz równieŜ na upowszechnienie się
systemów pomiarowych.
Do czwartej generacji naleŜą wirtualne przyrządy pomiarowe. Powstają one przez sprzęŜenie
odpowiednio dostosowanego sprzętu pomiarowego z komputerem ogólnego przeznaczenia,
na którym zainstalowano przyjazne dla uŜytkownika oprogramowanie. Oprogramowanie to
umoŜliwia obsługę przyrządu pomiarowego za pośrednictwem komputera w sposób zbliŜony
do obsługi przyrządu autonomicznego. Główną zaletą takiego rozwiązania jest elastyczność
wynikająca z faktu, Ŝe o funkcjonalności urządzenia decyduje głównie oprogramowanie.
Pozwala ono na łatwą modyfikację właściwości przyrządu i szybkie dostosowywanie go do
wymagań uŜytkownika. Na przykład moŜna rozbudowywać algorytmy przetwarzania i
analizy sygnałów oraz sposoby prezentacji wyników pomiarów. Zmiana oprogramowania jest
tańsza i szybsza niŜ konstrukcja nowego urządzenia. Istotną zaletą przyrządów wirtualnych
jest moŜliwość spełniania przez tę samą część sprzętową (komputer z układami
pomiarowymi) róŜnych funkcji. W zaleŜności od potrzeb i wykorzystywanego
oprogramowania moŜe być to wirtualny oscyloskop, analizator widma, rejestrator, multimetr
czy inny nietypowy przyrząd.
2
3. KLASYFIKACJA WIRTUALNYCH PRZYRZĄDÓW POMIAROWYCH
Przyrządy wirtualne, mimo szerokiego zastosowania, nie doczekały się jednoznacznej
definicji. W róŜnych opracowaniach spotkać moŜna róŜne ich opisy. Zwykle jako przyrząd
wirtualny określa się przyrząd pomiarowy stanowiący połączenie sprzętu pomiarowego z
komputerem osobistym ogólnego przeznaczenia wraz z oprogramowaniem umoŜliwiającym
uŜytkownikowi obsługę przyrządu z wykorzystaniem symulowanej na ekranie monitora płyty
czołowej przyrządu. Wynika z tego, iŜ część sprzętową przyrządu wirtualnego stanowi
komputer klasy PC, ale musi być on uzupełniony odpowiednimi układami pomiarowymi.
Układy pomiarowe mogą być wykonane jako karty pomiarowe umieszczone w obudowie
komputera lub w połączonej z komputerem kasecie, albo jako przyrządy autonomiczne
połączone z komputerem interfejsem o określonym standardzie.
Prekursorem w dziedzinie przyrządów wirtualnych były dwie czołowe amerykańskie
firmy: Hewlett-Packard (obecnie Agilent), zajmująca się miedzy innymi produkcją sprzętu
pomiarowego oraz National Instruments, specjalizująca się w tworzeniu oprogramowania
związanego z pomiarami. Pierwsza z nich uznała, Ŝe przyrząd wirtualny to urządzenie
wykorzystujące komputer do przetwarzania i wyświetlania wyników pomiarów. Druga
nazwała przyrządem wirtualnym warstwę programową i sprzętową dodaną do komputera
ogólnego przeznaczenia tak, aby uŜytkownik mógł pracować z komputerem w taki sposób,
jakby pracował z przyrządem pomiarowym. Ta niejednoznaczność, a często i pewna
niekonsekwencja w stosowaniu terminologii, doprowadziła do tego, Ŝe obecnie róŜne
konfiguracje architektury przyrządów pomiarowych są nazywane przyrządami wirtualnymi.
MoŜna w tej dziedzinie wyróŜnić trzy grupy.
Pierwszą stanowią fizycznie istniejące przyrządy autonomiczne sterowane za pomocą
komputera wyposaŜonego w kartę dedykowanego interfejsu (np. GPIB czy RS 232).
Graficzny interfejs uŜytkownika umoŜliwia wygodne zarządzanie poszczególnymi
przyrządami oraz tworzenie bardziej złoŜonych systemów pomiarowych.
Drugą grupę przyrządów wirtualnych stanowią komputery wyposaŜone w kartę akwizycji
danych, bezpośrednio współpracującą z magistralą mikrokomputera. W tej grupie nie ma juŜ
autonomicznego przyrządu pomiarowego. Są tylko jego poszczególne elementy, zaś płytę
czołową symuluje panel graficzny na ekranie monitora. Taki przyrząd obsługiwany jest juŜ
całkowicie za pomocą komputera.
Trzecią grupę przyrządów wirtualnych stanowią same w sobie graficzne środowiska
programowe. Nie moŜna tu wyróŜnić nie tylko przyrządu pomiarowego, ale nawet Ŝadnego
jego elementu. Przyrząd od początku do końca został stworzony z wykorzystaniem programu.
Dane pomiarowe do takiego przyrządu mogą pochodzić z plików dyskowych utworzonych
podczas rzeczywistych pomiarów na odległym stanowisku pomiarowym. Mogą być teŜ
pobrane przez sieć komputerową czy teŜ generowane w sposób pseudolosowy lub według
zadanych algorytmów. Choć nazywanie ostatniej grupy przyrządami wirtualnymi budzi wiele
kontrowersji, to znalazły one jednak szerokie zastosowanie do prezentacji symulacji procesów
fizycznych, a ze względu na stosunkowo niski koszt są niezwykle przydatne w dydaktyce.
Tworzenie przyrządów wirtualnych moŜe być realizowane na dwa sposoby.
Chronologicznie pierwszy sposób polega na pisaniu od podstaw programu obsługi przyrządu
systemowego lub karty pomiarowej przy wykorzystaniu języków wysokiego poziomu
(Pascal, C) w środowiskach takich jak np. Delphi czy Visual C. Drugi sposób opiera się na
wykorzystaniu duŜych środowisk programowych, które integrują w sobie funkcje sterowania
pracą systemu, gromadzenia i przetwarzania danych pomiarowych oraz prezentacji wyników.
Środowiska takie oferują ponadto języki programowania wyŜszego rzędu (graficzne), róŜnego
rodzaju edytory, programy uruchamiające (ang. debugger), a takŜe rozbudowane mechanizmy
wspomagające (a zarazem upraszczające) obsługę aparatury pomiarowej i ułatwiające pisanie
3
własnych programów sterujących pracą całego systemu. Takie pakiety programowe nazywa
się zintegrowanymi środowiskami pomiarowymi. Na rynku istnieje kilka takich pakietów.
Wiodącą rolę na tym polu odgrywa firma National Instruments oferująca środowisko
LabWindows oraz korzystające z języka graficznego środowisko LabVIEW. Znaczącą
pozycję zajmuje równieŜ firma Agilent Technologies z oprogramowaniem Agilent VEE,
które, – podobnie jak LabVIEW – umoŜliwia tworzenie programu przy uŜyciu symboli
graficznych.
Na rys. 1 przedstawiono przykładowy schemat funkcjonalny przyrządu wirtualnego
zrealizowanego jako połączony z komputerem przyrząd autonomiczny. W bloku
przetwarzania analogowo-cyfrowego A/C napięcie wejściowe zostaje przetworzone na postać
cyfrową. Po przeliczeniu w bloku cyfrowym C/C na wymagany format, dane zostają zapisane
do pamięci RAM. Jednocześnie zarejestrowane wyniki mogą być przesłane przez interfejs do
komputera i wyświetlone na ekranie monitora. Parametry pomiaru zadawane są przez
operatora za pomocą własnej płyty czołowej przyrządu autonomicznego lub przez panel na
ekranie monitora.
Blok
przetwarzania
A/C
Blok
przetwarzania
C/C
Blok
wyświetlacza
Blok obsługi
pamięci
dyskowej
Blok obsługi
pamięci
RAM
Blok
wizualizacji
interfejs
Blok
sterowania
Przyrząd
autonomiczny
Blok
sterowania
PC
Rys. 1. Struktura przyrządu wirtualnego jako połączonego z komputerem przyrządu autonomicznego
Zastąpienie obsługi przyrządu autonomicznego panelem symulowanym na ekranie monitora
pozornie nie wnosi nowej jakości. JednakŜe w rzeczywistym przyrządzie do dyspozycji jest
tylko jeden wyświetlacz, na którym przedstawione są wszystkie informacje, zmieniane w
zaleŜności od trybu pracy. W przypadku przyrządu wirtualnego nie ma takich ograniczeń kaŜdy zadawany parametr pomiaru moŜe posiadać oddzielny wskaźnik. Dzięki temu obsługa
przyrządu wirtualnego jest intuicyjna i prostsza niŜ obsługa za pomocą panelu przyrządu
autonomicznego. Szersze są równieŜ moŜliwości prezentowania wyników. Nie muszą być to
pojedyncze liczby, ale moŜna przedstawić wynik w postaci bardziej złoŜonej, np. w postaci
tabel czy wykresów. Nie ma teŜ ograniczenia przetwarzania wyników zgodnie z funkcjami
wbudowanymi do przyrządu autonomicznego. Odpowiednie oprogramowanie pozwala
dowolnie rozszerzyć moŜliwości przetwarzania i analizy wyników. Inną zaletą przyrządu
wirtualnego jest moŜliwość wykonywania pomiarów w miejscu odległym, trudno dostępnym
lub w środowisku stanowiącym zagroŜenie dla obsługi.
DuŜe moŜliwości dostosowania do potrzeb uŜytkownika dają przyrządy naleŜące do
drugiej grupy. Opracowanie nowych przyrządów nie wymaga ingerencji w część sprzętową, a
jedynie przygotowania nowego oprogramowania. Ten sam sprzęt, w zaleŜności od
stosowanego oprogramowania moŜe pełnić najróŜniejsze funkcje. Najprostszy przyrząd tego
typu wykorzystuje moduł akwizycji sygnałów pomiarowych, umieszczony w komputerze.
Jego zaletą jest duŜa szybkość przesyłania danych bezpośrednio do pamięci komputera.
Przyrząd taki zajmuje równieŜ mało miejsca. Przykładowa struktura przyrządu wirtualnego
opartego o umieszczony w komputerze moduł akwizycji danych przedstawiona jest na rys. 2.
Napięcie mierzone doprowadzone jest na analogowe wejście modułu akwizycji sygnałów
pomiarowych. Wynik pomiaru, po przeliczeniu na wymagany format, prezentowany jest na
4
ekranie monitora i zapisywany do pamięci. Moduły pomiarowe wykonane w postaci karty
umieszczanej w komputerze łączone są z zasobami komputera przy wykorzystaniu magistrali
PCI, w starszych komputerach magistrali ISA, a w przypadku komputerów przenośnych
PCMCIA. Dla urządzeń przenośnych stosuje się teŜ standard CompactFlash.
Na bazie układów akwizycji sygnałów pomiarowych mogą być budowane róŜnorodne
przyrządy wirtualne ogólnego przeznaczenia, np.: oscyloskop, analizator widma, multimetr,
rejestrator, generator, częstościomierz, okresomierz oraz specjalizowane, przeznaczone do
konkretnego zastosowania.
Blok
przetwarzania
A/C
Blok
przetwarzania
C/C
Blok
sterowania
Blok
sterowania
Blok obsługi
pamięci
dyskowej
Karta akwizycji
Blok
wizualizacji
PC
Rys. 2. Struktura przyrządu wirtualnego opartego o moduł akwizycji sygnałów pomiarowych
Trzecia grupa przyrządów wirtualnych (komputery z odpowiednim oprogramowaniem)
nadaje się szczególnie do celów szkoleniowych jako symulatory. Przyrządy takie pozwalają
na szkolenie obsługi róŜnorodnych systemów w warunkach zbliŜonych do rzeczywistych.
Takie środowiska programowe wykorzystywane są często w dydaktyce, gdyŜ pozwalają
przedstawić pewne zjawiska w zmienionej skali czasowej, a przez to ułatwić ich zrozumienie.
UmoŜliwiają równieŜ obserwację przebiegu procesów odbywających się w znacznej
odległości lub trudnodostępnych.
4. OPROGRAMOWANIE RIGOL
Rigol - producent przyrządów pomiarowych wykorzystywanych w laboratorium
Metrologii Elektrycznej - dostarcza przy zakupie przyrządów oprogramowanie, pozwalające
na współpracę z komputerem na zasadach takich, jakby obsługiwano tradycyjny przyrząd
autonomiczny. Oprogramowanie umoŜliwia utworzenie z kaŜdego urządzenia niezaleŜnego
przyrządu wirtualnego. Dodatkowo istnieje moŜliwość połączenia wszystkich urządzeń w
system pomiarowy. Przyrządy Rigol wyposaŜono w dwa interfejsy: RS232 i USB, przy czym
producent rekomenduje uŜywanie interfejsu USB.
4.1. Oprogramowanie UltraWave dla generatorów serii DG1000
UltraWave, jako oprogramowanie dla programowanych generatorów funkcyjnych,
pozwala na tworzenie i przesyłanie do generatora dowolnych przebiegów, jak równieŜ
importowanie i obserwację przebiegów z oscyloskopu cyfrowego i generatora funkcyjnego.
UltraWave oprócz generacji 9 standardowych przebiegów (lewy pasek narzędzi na rys. 3),
pozwala takŜe w szybki i wygodny sposób tworzyć własne przebiegi arbitralne. Przebiegi
mogą być zapisywane (i odczytywane) w plikach tekstowych, plikach programu Microsoft
Excel (.csv) i jako przebiegi arbitralne (pliki .rdf).
KaŜdy z wygenerowanych przebiegów moŜe być wysłany do generatora (ikona Send
Waveform). UŜytkownik moŜe dodatkowo zdefiniować cztery przebiegi, które zostaną
5
umieszczone w pamięci trwałej generatora (NonVolatile Waveform, patrz rys. 6). Podobnie
jak pięć standardowo zaprogramowanych przebiegów arbitralnych, mogą one być
przywoływane w dowolnej chwili za pomocą okna Stored Waveform (rys. 6).
Rys. 3. Okno programu UltraWave
Rys. 5. Przykład nietypowego przebiegu arbitralnego
Rys. 4. Przykład modulacji amplitudy
Rys. 6. Okno przesyłu danych do generatora
4.2. Oprogramowanie UltraScope dla oscyloskopów serii DS1000
UltraScope jest oprogramowaniem przeznaczonym dla oscyloskopów firmy Rigol,
pozwalającym na obserwację i rejestrację przebiegów z oscyloskopu na ekranie komputera.
Oprócz rejestracji przebiegów (okno Wave na rys. 7) oprogramowanie pozwala na:
1) zmianę ustawień oscyloskopu z poziomu programu (za pomocą rozwijanego menu lub
wirtualnego panelu, którego wygląd odpowiada wyglądowi rzeczywistego przyrządu) –
okno DSO Controller,
2) pomiar i zapis wielkości i parametrów charakteryzujących przebieg (np. częstotliwość,
Vpp, Vavg, czas narastania i opadania zbocza i inne) – okno Measure,
3) rejestrację przebiegu w postaci ciągu próbek – okno Data,
4) obserwację przebiegu w postaci dynamicznej – okno Record (oprogramowanie pozwala
odtwarzać pliki zapisane w formacie .rcd, są to pliki niekomercyjnego programu Arcade
słuŜącego do symulacji i animacji, utworzonego na Uniwersytecie w Virginii),
5) odtwarzanie i zapis przebiegów w róŜnych formatach (.bmp, .txt, .csv, .wfm).
6
Pliki o rozszerzeniu .wfm mogą być wyświetlane i konwertowane na inne formaty, (np. csv
lub .bmp) przy uŜyciu zakładki Memory Wave.
Rys. 7. Interfejs uŜytkownika programu UltraScope
Oprogramowanie nie stwarza moŜliwości bezpośredniego dostępu do pamięci wewnętrznej
oscyloskopu. MoŜna natomiast przesłać do komputera przebieg zapisany wcześniej w pamięci
oscyloskopu poprzez wywołanie go na ekranie oscyloskopu i wczytanie za pomocą zakładki
Wave (polecenie: Add New Waveform i Refresh). MoŜna wtedy przekonwertować plik na
inny format.
5. PROGRAM ĆWICZENIA
1. Włączyć komputer, otworzyć program UltraWave i zapoznać się z jego obsługą.
2. Połączyć generator DG1011 z notebookiem kablem USB, włączyć generator i
uaktywnić komunikację w programie UltraWave (ikona „Connect to instrument”).
Uwaga! Wyświetlacz generatora powinien pracować w trybie graficznym!
3. W osobnych oknach (ustawionych na maksymalne zakresy równe 20Vpp i 4k próbek)
wygenerować dwa róŜne przebiegi (np. sinusoidalny i trójkątny) o amplitudach
znacznie mniejszych niŜ ustawiony zakres. Wysłać kolejno przebiegi do generatora.
4. Wykonać róŜne operacje matematyczne na wygenerowanych przebiegach, a takŜe na
innych przebiegach standardowych. Zwrócić uwagę na róŜnice pomiędzy opcjami
Wave Math i Window Math. Wysłać wybrane przebiegi do generatora. Zapisać
otrzymane przebiegi na dysku. Zaimportować pliki z powrotem do programu w celu
sprawdzenia poprawności zapisu (funkcja: „Open Analog Saved”)
7
Wygenerować i zapisać przebieg o kształcie jak na rys. 3 lub 4, bądź teŜ inny,
wskazany przez prowadzącego.
5. Zapoznać się z pozostałymi opcjami edycji przebiegów zawartymi w menu Rework i
Math (Resize, Invert, Mirror, Absolute, Filter). Wysłać do pamięci generatora i
zapisać na dysk wybrane przebiegi otrzymane podczas realizacji tego punktu
ćwiczenia.
Wygenerować i zapisać przebieg o kształcie jak na rys. 5 lub inny, wskazany przez
prowadzącego.
6. Zapoznać się z trybami szybkiej generacji własnych przebiegów (HandDraw Mode i
LineDraw Mode). Przesłać do przyrządu i zarejestrować wybrane przebiegi.
7. Zapisać jeden z przebiegów w pamięci trwałej generatora i wywołać go do okna
edycyjnego za pomocą funkcji „Upload Waveform”.
8. Zaimportować do programu przebiegi z oscyloskopu (.wfm) zapisane w katalogu
Waveforms. Wysłać przebiegi do generatora. Zapisać je w postaci pliku tekstowego.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------9. Połączyć oscyloskop z generatorem, włączyć przyrządy i otworzyć program
UltraScope. Utworzyć nowy dokument (New Data Sheet), a w nim kolejno wg
potrzeb okna: Waveform, Measure, Data, Memory Waveform.
10. Uaktywnić komunikację z przyrządem (ikona Connect to Oscilloscope). Sprawdzić
zdalne sterowanie oscyloskopem przy uŜyciu okna DSO Controller.
Uwaga! Podczas aktywnego połączenia z komputerem moŜliwe jest tylko zdalne sterowanie
przyrządem. W celu uaktywnienia panelu przyrządu naleŜy uŜyć przycisku FORCE na płycie
czołowej.
11. Przy uŜyciu okna Measure dokonać pomiaru charakterystycznych wielkości i
parametrów dla róŜnych przebiegów zadanych na generatorze.
12. Za pomocą zakładki Memory Waveform otworzyć kolejno pliki .wmf z katalogu
Waveforms na pulpicie. Zaobserwować otrzymane przebiegi. Zapisać je w formacie
.csv.
13. Dokonać pomiaru wartości międzyszczytowych i częstotliwości przebiegów z pkt.12.
6. PYTANIA KONTROLNE
1. Co to jest przyrząd wirtualny i jakie są jego rodzaje?
2. Jakie są wady i zalety przyrządów wirtualnych?
3. Omówić strukturę przyrządu wirtualnego utworzonego przez połączenie przyrządu
autonomicznego z komputerem z odpowiednim oprogramowaniem.
4. Wyjaśnić na przykładzie róŜnice pomiędzy przyrządami systemowymi i wirtualnymi.
5. W jaki sposób otrzymano przebiegi przedstawione na rysunkach 3, 4 i 5?
7. LITERATURA
[1] Świsulski D.: „Komputerowa technika pomiarowa. Oprogramowanie wirtualnych
przyrządów pomiarowych w LabView”. Agenda Wydawnicza PAK, Warszawa 2005.
[2] Rak R.: „Wirtualny przyrząd pomiarowy. Realne narzędzie współczesnej metrologii”,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003.
[3] Rak R.: „Wirtualne przyrządy pomiarowe”, Elektronizacja nr 9, 1999, s. 9-13.
[4] Dobrowolski A.: „Wirtualne przyrządy pomiarowe w laboratorium układów
elektronicznych WAT”, Materiały XXXVI Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów,
2004, s. 373-380.
8
[5] Rigol, „Generatory przebiegów funkcyjnych i arbitralnych serii DG1000. Instrukcja
obsługi”, Rigol Technologies Inc. 2007, NDN/wrzesień 2008.
[6] Rigol, „Oscyloskopy cyfrowe serii DS1000, DS1000CD, DS1000C, DS1000M.
Instrukcja obsługi”, NDN, Warszawa 2007.
[7] Rigol, „Multimetry cyfrowe serii DM3000. Instrukcja obsługi”, Rigol Technologies Inc.
2007, NDN/październik 2008.
Opracował: dr inŜ. Krzysztof Musioł
v.2 / 3 XI 2009