WIRTUALNE PRZYRZ¥DY POMIAROWE

Remigiusz J. RAK
Instytut Elektrotechniki Teoretycznej
i Miernictwa Elektrycznego
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
WIRTUALNE PRZYRZ¥DY POMIAROWE
W referacie przedstawiono w sposób systematyczny charakterystykê wirtualnych przyrz¹dów pomiarowych. Charakterystyka ta zawiera ideê, opis chronologiczny procesu powstawania, podzia³ na kategorie oraz w³asnoœci poszczególnych kategorii. Referat zakoñczony jest przedstawieniem szeregu praktycznych rozwi¹zañ przyrz¹dów wirtualnych oraz przyk³adem systemu rozproszonego terytorialnie, zbudowanego na bazie lokalnej sieci komputerowej.
1.WSTÊP
Przyrz¹d wirtualny (Virtual
Instrument) to ostatnio bardzo modne pojêcie w dziedzinie
Metrologii. Wywodzi siê ono w prostej linii z innego bardziej ogólnego: rzeczywistoœæ
wirtualna (Virtual
Reality), nieod³¹cznie zwi¹zanego z informatyk¹ i technikami multi-
medialnymi, a zrodzi³o siê w wyniku rewolucji w rozwoju techniki komputerowej. Wobec
powszechnej dostêpnoœci komputerów osobistych (PC) producenci przyrz¹dów pomiarowych musieli pogodziæ siê z koniecznoœci¹ dostosowania do trendów rozwojowych. Pojawi³y siê zupe³nie nowe koncepcje w dziedzinie technik pomiarowych oraz projektowania
systemów pomiarowych. Najbardziej istotne elementy ewolucji technik pomiarowych, które
doprowadzi³y do powstania przyrz¹du wirtualnego scharakteryzowaæ mo¿na w nastêpuj¹cy
sposób:
·
·
Przyrz¹dy analogowe: rêczna obs³uga p³yty czo³owej, ¿mudna obserwacja wskaŸnika
wychy³owego, rêczne zapisywanie wyników pomiaru.
Przyrz¹dy cyfrowe: rêczna obs³uga p³yty czo³owej, wskaŸniki cyfrowe, mo¿liwoœæ
wysy³ania wyników pomiaru na drukarkê oraz do komputera (z u¿yciem standardowe-
·
·
·
·
go interfejsu).
Interfejsy specjalizowane (np. CAMAC):
automatyzacja pomiarów, rozwój ma³o
ekspansywny, brak powszechnej standaryzacji.
Interfejs IEC-625: zdalna obs³uga przyrz¹dów, bezpoœrednie przesy³anie wyników do
kontrolera, pe³na automatyzacja pomiarów, standaryzacja, unifikacja (625.2).
Inteligentne przyrz¹dy pomiarowe: przyrz¹dy autonomiczne wyposa¿one w procesory - bezpoœrednie wykorzystanie Cyfrowego Przetwarzania Sygna³ów.
Przyrz¹dy wirtualne (VI): rodzaj inteligentnego przyrz¹du pomiarowego stanowi¹cego po³¹czenie sprzêtu nowej generacji ze standardowym mikrokomputerem i przyjaznym dla u¿ytkownika oprogramowaniem
R.J. Rak
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. CHARAKTERYSTYKA PRZYRZ¥DÓW WIRTUALNYCH
2.1. Idea przyrz¹du wirtualnego
Jak wiadomo, nowoczesny model autonomicznego przyrz¹du pomiarowego zawiera cztery podstawowe bloki funkcjonalne: zbierania danych, przetwarzania danych, generacji
wymuszeñ i prezentacji wyników. Przyrz¹d wirtualny zawiera te same bloki, z t¹ ró¿nic¹,
¿e nie musz¹ byæ umieszczone we wspólnej obudowie. Idea przyrz¹du wirtualnego polega
wiêc na po³¹czeniu funkcji przyrz¹du tradycyjnego (ustalonych na sztywno) z elastycznymi, definiowanymi przez u¿ytkownika funkcjami komputera osobistego. Nie producent
(twórca) lecz u¿ytkownik definiuje funkcje przyrz¹du - spe³niaj¹ce jego potrzeby! Poszczególne funkcje mog¹ byæ realizowane z u¿yciem sprzêtu lub oprogramowania. Proces tworzenia struktury przyrz¹du wirtualnego zilustrowano za pomoc¹ rys.1. Blok decyzyjny oznaczono symbolicznie znakiem „?”.
MIKROKOMPUTER
?
z
oprogramowaniem
GENERACJA
WYMUSZEÑ
ZBIERANIE
DANYCH
SPRZÊT
PRZETWARZANIE
DANYCH
ZOBRAZOWANIE
WYNIKÓW
Rys. 1 Struktura przyrz¹du wirtualnego
Definicja:
Przyrz¹d wirtualny to rodzaj inteligentnego przyrz¹du pomiarowego stanowi¹cego po³¹czenie pewnego sprzêtu nowej generacji
z mikrokomputerem osobistym ogólnego przeznaczenia i przyjaznym dla u¿ytkownika oprogramowaniem, które umo¿liwia u¿ytkownikowi wspó³pracê z mikrokomputerem na zasadach takich jakby obs³ugiwa³ tradycyjny przyrz¹d autonomiczny.
2.2. Kategorie przyrz¹dów wirtualnych
Ju¿ sama definicja, z uwagi na brak precyzji w sformu³owaniach, wskazuje na du¿¹ ró¿norodnoœæ w zakresie architektury przyrz¹dów wirtualnych. Z grubsza mo¿ne je podzieliæ
na trzy kategorie w sk³ad których wchodz¹ nastêpuj¹ce elementy:
Kat.A. Fizycznie istniej¹ce przyrz¹dy autonomiczne wyposa¿one w interfejs IEC-625 lub
RS232, panel graficzny na ekranie monitora (symuluj¹cy p³ytê czo³ow¹) - obs³uga
przyrz¹du za pomoc¹ „myszy”,
Wirtualne przyrz¹dy pomiarowe
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Kat.B. Karta DAQ lub modu³ VXI (w miejsce przyrz¹du autonomicznego - brak p³yty
czo³owej) oraz panel graficzny na ekranie monitora (symuluj¹cy p³ytê czo³ow¹) obs³uga przyrz¹du za pomoc¹ „myszy”,
Kat.C. Brak fizycznego przyrz¹du (sprzêtu - poza PC), panel graficzny na ekranie monitora, dane wejœciowe z plików w pamiêci masowej, z innych komputerów lub generowane w sposób numeryczny z zachowaniem wymagañ co do parametrów
(dydaktyka: symulatory przyrz¹dów i systemów)
Ostatnia kategoria dotyczy raczej symulacji procesu fizycznego ale jest niezwykle przydatna do zastosowañ dydaktycznych (niski koszt). Mog¹ w niej równie¿ znaleŸæ miejsce,
popularne ostatnio, symulatory przyrz¹dów rzeczywistych.
2.3. Charakterystyczne cechy przyrz¹dów wirtualnych
Zasadnicze cechy przyrz¹dów wirtualnych mo¿na streœciæ w trzech punktach:
1. powiêkszona funkcjonalnoœæ przyrz¹du dokonana
z u¿yciem mikrokomputera z oprogramowaniem,
2. otwarcie architektury,
3. ³atwoœæ w rozpowszechnianiu idei.
ad 1. Powstaj¹ nieograniczone wrêcz mo¿liwoœci wzbogacania funkcji analiz i zobrazowania wyników na danych pochodz¹cych z przyrz¹du tradycyjnego. Trendy rozwojowe przyrz¹dów wirtualnych najlepiej zilustrowaæ za pomoc¹ wykresu zapotrzebowania na tzw.
„digitizery”, tzn. wszelkiego typu urz¹dzenia umo¿liwiaj¹ce wprowadzanie sygna³ów analogowych do komputera (rys.2).
0
0
0
1
x
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
86
87
88
89
90
91
Rok
92
93
94
95
96
Rys.2 Zapotrzebowanie na „digitizery” ogólnego przeznaczenia w latach 1986-1996
Tendencja ta wystêpuje z jednoczesnym, wyraŸnym
spadkiem zapotrzebowania na spe-
cjalizowane przyrz¹dy autonomiczne (w tym inteligentne przyrz¹dy pomiarowe). Wyt³umaczenie jest proste: mikrokomputer, digitizer oraz oprogramowanie narzêdziowe daj¹
potencjaln¹ mo¿liwoœæ konstrukcji dowolnego przyrz¹du pomiarowego (VI), a ich wykorzystanie wielokrotne znakomicie obni¿a koszt jednostkowy.
R.J. Rak
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
ad 2. Otwarcie architektury przyrz¹dów wygodnie jest zobrazowaæ na rysunku opisuj¹cym
wspó³bie¿noœæ architektury mikrokomputera i inteligentnego przyrz¹du pomiarowego
(rys.3).
Pamiêæ RAM, ROM
Mikroprocesor
KOMPUTER
Koprocesor
Wyœwietlacz
Timer
Uk³ady we/wy
INTELIGENTNY
A/C, C/A
IEC-625
PRZYRZ¥D
POMIAROWY
Magistrala procesora
Rys. 3 Wspó³bie¿noœæ architektury mikrokomputera i inteligentnego przyrz¹du pomiarowego
Wynika z niego wyraŸnie, ¿e nowoczesny autonomiczny (inteligentny) przyrz¹d pomiarowy
zawiera
szereg
elementów
„komputerowych”.
Niektóre
specjalizowane
modu³y
sprzêtowe zaœ, mog¹ byæ dostosowane do wspó³pracy z magistral¹ komputera. Oznacza to,
¿e znaczna grupa elementów sprzêtowych, powielanych w przyrz¹dach autonomicznych,
mo¿e byæ zast¹piona za pomoc¹ standardowego mikrokomputera, nieco „wzbogaconego”
(karta IEC-625, modu³y A/C, C/A itd.). Oprogramowanie aplikacyjne, równie dobrze, mo¿e byæ przechowywane w pamiêci komputera. Nieograniczona liczba przyrz¹dów typu VI
mo¿e wykorzystywaæ monitor i mysz do obs³ugi funkcji i prezentacji wyników.
Do kluczowych elementów decyduj¹cych o otwarciu architektury przyrz¹du wirtualnego
zalicza siê:
·
·
·
·
·
·
·
·
·
I/O - porty we/wy, odwzorowane na przestrzeñ adresow¹ mikrokomputera szybkie zapisywanie rejestrów;
DMA - bezpoœredni dostêp do pamiêci, buforowanie - szybkie transfery danych;
INT - przerwania sprzêtowe z natychmiastow¹ reakcj¹;
£atwoœæ synchronizacji miêdzykana³owej;
Mo¿liwoœæ wyzwalania sprzêtowego (wykrywanie i generacja zdarzeñ);
Precyzyjne, szybkie taktowanie sprzêtowe;
Szybkie przetwarzanie danych (Cyfrowe Przetwarzanie Sygna³ów),
U³atwione formatowanie danych;
„Bajkowy” wygl¹d p³yty czo³owej, wzbogacona prezentacja wyników.
W tym miejscu warto podkreœliæ, ¿e naturaln¹ konsekwencj¹ takiego rozwoju technik
pomiarowych, by³o powstanie kart zbierania danych (Data Aquisition: DAQ). Genezê ich
stanowi umieszczenie uk³adów „wzbogacaj¹cych” mikrokomputer na jednej, wspólnej p³ycie, bezpoœrednio wspó³pracuj¹cej z magistral¹ mikrokomputera. Uk³ady te objêto lini¹
przerywano na rys. 3 (przetworniki A/C i C/A, dodatkowe porty WE/WY oraz dodatkowe
Wirtualne przyrz¹dy pomiarowe
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
uk³ady zegarowe - timer). Takie rozwi¹zanie umo¿liwia korzystanie wy³¹cznie z zasobów
p³yty DAQ co znakomicie u³atwia realizacjê oprogramowania z u¿yciem sterowników.
ad 3. £atwoœæ rozprzestrzenia idei VI uzasadniaj¹ wspomniane wy¿ej zalety jak równie¿
³atwoœæ produkcji, niski koszt, a co za tym idzie stosunkowo niskie ceny. Do platform zagarniêtych przez VI nale¿¹ obecnie:
·
·
·
·
·
·
Systemy operacyjne: DOS, Windows3.1/95/98/NT, X Windows, Unix,
Procesory: 386, 486, 486DX2, Pentium, Sun Workstation,
Magistrale: PC, EISA, ISA, PCI, PCMCIA,
Interfejsy: RS232, RS422, RS423, RS485, IEC-625, IEC-625.2, VXI,
Jêzyki: BASIC, C, C++.
Zintegrowane pakiety oprogramowania narzêdziowego np:
à
à
à
à
PC Instruments, HP VEE (Hewlett-Packard),
PCI (Siemens),
TestPoint (Keithley Instruments)
LabVIEW, LabWindows, LabWindows/CVI (National Instruments).
3. KONFIGURACJE PRZYRZ¥DÓW WIRTUALNYCH
3.1. Konfiguracje z u¿yciem kart zbierania danych
Dobór karty zbierania danych polega na rozpatrzeniu takich parametrów jak: liczba kana³ów, wartoœæ czêstotliwoœci próbkowania, zakres amplitud sygna³ów wejœciowych, rozdzielczoœæ
przetwornika A/C. Liczba wejœæ obejmuje zarówno wejœcia niesymetryczne jak i symetryczne
(ró¿nicowe). Wejœcia niesymetryczne korzystaj¹ ze wspólnego punktu uziemiaj¹cego. U¿ywa siê
ich w przypadkach gdy sygna³y wejœciowe maj¹ stosunkowo du¿e poziomy (powy¿ej 1 V), a d³ugoœci przewodów doprowadzaj¹cych nie przekraczaj¹ 5m. Je¿eli te wymagania nie s¹ spe³nione,
nale¿y u¿yæ wejœæ symetrycznych umo¿liwiaj¹cych eliminacjê zak³óceñ równoleg³ych (commonmode). Zwykle buduje siê je ³¹cz¹c w pary wejœcia niesymetryczne.
Typowe rozwi¹zania funkcjonalne wielokana³owych kart zbierania zawieraj¹ pojedynczy uk³ad przetwornika analogowo-cyfrowego z multiplekserem analogowym. W zwi¹zku z tym, efektywna czêstotliwoœæ próbkowania, jest odwrotnie proporcjonalna do liczby wykorzystanych
kana³ów. Celem zwiêkszenia liczby kana³ów mo¿na zastosowaæ dodatkowe karty lub kartê multipleksera analogowego.
¸
-10V¸+10V, -5V¸+5V. Uzy-
Rozdzielczoœci przetworników analogowo-cyfrowych typowo zmieniaj¹ siê w zakresie 12 16
¸
¸
bitów. Typowe zakresy napiêæ wejœciowych to: 0 +10V, 0 +5V,
skiwane wzmocnienia to 1, 10, 100, 500 lub 1,2,4,8,16,...,256. Czêsto, karty umo¿liwiaj¹ selektywny dobór niektórych parametrów dla poszczególnych kana³ów. Umo¿liwia to optymalne wykorzystanie skali przetwarzania przetwornika A/C nawet przy bardzo du¿ej ró¿norodnoœci w zakresie poziomu sygna³ów.
W zasadzie, wszystkie dostêpne karty DAQ wyposa¿one s¹ ponadto w przetworniki cyfrowoanalogowe oraz odpowiadaj¹ce im wyjœcia analogowe. Przyk³adowe zastosowanie tych uk³adów
to np. generacja sygna³ów pobudzaj¹cych, o dowolnych parametrach, potrzebnych do wysterowania testowanych uk³adów, czy te¿ generacja sygna³ów akustycznych w sytuacjach awaryjnych.
Ponadto, karty tego typu mog¹ byæ wyposa¿one w standardowe równoleg³e wejœcia/wyjœcia
(porty cyfrowe - Digital I/O), które mog¹ byæ (po stosownym oprogramowaniu) wykorzystane do
R.J. Rak
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
specjalnych zastosowañ np.: sterowanie procesem skojarzonym z systemem pomiarowym, komunikacja z urz¹dzeniami peryferyjnymi.
Ostatni¹ grupê stanowi¹ uk³ady zegarowe (Timing I/O). Uk³ady te bywaj¹ bardzo pomocne w
wielu zastosowaniach jak np.: pomiar czêstotliwoœci powtarzania zdarzeñ, pomiary parametrów
przebiegów impulsowych, generacja pojedynczych impulsów czy przebiegów impulsowych.
Wszystkie wymienione zastosowania mog¹ byæ zrealizowane na bazie trzech podstawowych elementów: bramka, Ÿród³o, wyjœcie (jak timer w systemie mikroprocesorowym).
Wspó³czesne komputery osobiste s¹ na tyle dobre, ¿e zwykle wystarcza im szybkoœci i mocy
obliczeniowej w zakresie zbierania i analizy danych na potrzeby systemów pomiarowych. W
niektórych jednak zastosowaniach szybkoœæ komputera osobistego mo¿e nie byæ wystarczaj¹ca
do przetwarzania sygna³ów w czasie rzeczywistym. Najproœciej siêgn¹æ wtedy po „inteligentn¹”
kartê analiz wyposa¿on¹ w bardzo szybki procesor sygna³owy. Wtedy skomplikowane obliczenia
(analizy) mog¹ byæ prowadzone jednoczeœnie z egzekucj¹ programu procesora g³ównego. Typowe zastosowania tego typu analiz "sprzêtowych" wystêpuj¹ przewa¿nie w dziedzinie obróbki sygna³ów mowy i obrazu. Dostêpne s¹ równie¿ rozwi¹zania hybrydowe, ³¹cz¹ce typowe DAQ z
procesorem sygna³owym (na pok³adzie).
Karty zbierania danych wymagaj¹ czêsto doprowadzenia do swoich wejœæ sygna³ów elektrycznych o standaryzowanych poziomach. W zwi¹zku z tym kompletny system powinien zawieraæ
ponadto tzw. modu³y kondycjonowania sygna³ów (rys.4).
MIKROKOMPUTER
OPROGRAMOWANIE
KARTY ANALIZ
KARTY ZBIERANIA
DANYCH
MODU£Y STANDARY ZACJI
SYGNA£U
CZUJNIKI
POMIAROWE
OBIEKT
POMIAROWY
Rys. 4 Modu³y funkcjonowania przyrz¹du wirtualnego: DAQ
Wirtualne przyrz¹dy pomiarowe
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Modu³y kondycjonowania sygna³u umo¿liwiaj¹:.
·
·
·
·
wzmacnianie (w dwu kierunkach),
linearyzacjê charakterystyk czujników,
izolacjê galwaniczn¹,
filtracjê sygna³ów niepo¿¹danych.
W konfiguracji DAQ, komputer osobisty decyduje o szybkoœci i trybie obróbki danych
pomiarowych. Systemy wymagaj¹ce przetwarzania w czasie rzeczywistym („on-line”) bêd¹
wymaga³y zastosowania 32-bitowego procesora z towarzysz¹cym mu koprocesorem albo
wrêcz karty analizy danych (DSP) wyposa¿onych w bardzo szybkie procesory sygna³owe
(np.: TMS320C40 - zmiennoprzecinkowy, TMS320C50 - sta³oprzecinkowy, Texas Instruments).
Oprogramowanie u¿ytkowe mo¿e byæ realizowane co najmniej na trzech poziomach:
·
Oprogramowanie na niskim poziomie: programowanie
rejestrów pok³adowych karty DAQ (dowolne jêzyki pro-
·
gramowania);
Oprogramowanie na poziomie sterownika - sterownik
(firmowy)
·
oraz
programy
aplikacyjne
(odwo³ania
do
funkcji wysokiego poziomu);
Oprogramowanie narzêdziowe (s³u¿y do pisania programów aplikacyjnych przez u¿ytkownika, z poœrednim wykorzystaniem funkcji sterownika).
Popyt na karty DAQ jest kolejnym potwierdzeniem powszechnoœci idei VI (rys.5).
0
0
0
1
x
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
86
87
88
89
90
91
Rok
92
93
94
95
96
Rys. 5 Popyt na karty DAQ
3.2. Konfiguracja z u¿yciem interfejsu przyrz¹dowego IEC-625
Sercem konfiguracji jest kontroler interfejsu - komputer wyposa¿ony w kartê interfejsu
IEC-625, z do³¹czonym oprogramowaniem. Wspó³pracuj¹ z nim autonomiczne przyrz¹dy
pomiarowe wyposa¿one w interfejsy. Schemat blokowy konfiguracji IEC obrazuje rys.6.
R.J. Rak
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
PRZYRZ¥D 1
KONTROLER
IEC-625
PRZYRZ¥D 2
IEC-625
IEC-625
IEC-625
PRZYRZ¥D 3
PRZYRZ¥D 4
Rys. 6 Konfiguracja przyrz¹du wirtualnego z interfejsem IEC-625
Parametry standardu s¹ nastêpuj¹ce:
à
à
à
Szybkoœæ przesy³ania danych 1MB/s,
Liczba przyrz¹dów: 14,
D³ugoœci kabli: 2m.
3.3.Konfiguracja z u¿yciem magistrali VXIbus
VXIbus (VME eXtensions for Instrumentation) - powsta³a w wyniku rozszerzenia mo¿liwoœci magistrali komputera modu³owego (VMEbus: Versa Module Europe) o elementy
umo¿liwiaj¹ce obs³ugê przyrz¹dów pomiarowych (modu³owych).
MIKROKOMPUTER
MXI
CPU
RAM
PIO
DSP
/
VXI
KONTROLER
MXI-bus
Rys. 7. Przyk³ad konfiguracji przyrz¹du wirtualnego w standardzie VXI
Podstawowe parametry standardu to:
·
·
·
·
Szybkoœæ transferu danych, rzêdu 40MB/s.
Firmowe komputery modu³owe 80386 oraz 68030
Systemy operacyjne: DOS, OS/2 lub UNIX.
Kontrolery: PC/AT, PS/2, Macintosh II, SunSPARCststion
oraz IBMRISC System/6000
PD1
Wirtualne przyrz¹dy pomiarowe
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Schemat blokowy hipotetycznej struktury przyrz¹du wirtualnego zamieszczono na rysunku
8.
M I K R O K O M P U T E R
PRZETWARZANIE DANYCH
ZOBRAZOWANIE DANYCH
(KOMUNIKACJA
Z U¯YTKOWNIKIEM)
KARTY
ZBIERANIA
K O N T R O L E R
IEC-625 RS232
DANYCH
VXI-bus
PRZYRZ¥DY
MODU£OWE
VXI-bus
AUTONOM.
PRZYRZ¥DY
POMIAROWE
AUTONOM.
modu³y
PRZYRZ¥D
standaryzacji
POMIAROWY
sygna³u
CZUJNIKI POMIAROWE
sygna³y pomiarowe
O B I E K T
POMIAROWY
Rys. 8 Schemat hipotetycznej struktury VI
R.J. Rak
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. PRZYK£ADY REALIZACJI PRAKTYCZNYCH
W Zak³adzie Miernictwa Elektrycznego Instytutu Elektrotechniki Teoretycznej i Miernictwa Elektrycznego Politechniki Warszawskiej (ZME) opracowano szereg przyrz¹dów wirtualnych zarówno na potrzeby dydaktyki jak i badañ naukowych. Poni¿ej opisane s¹ wybrane realizacje. W niektórych przypadkach realizacji praktycznych dyskusyjn¹ jest kwestia terminologiczna. Chodzi o dwa pojêcia: system pomiarowy i przyrz¹d wirtualny. Wydaje siê, ¿e nie zawsze
system pomiarowy mo¿na nazwaæ przyrz¹dem wirtualnym. Czy, w zwi¹zku z tym istniej¹ systemy pomiarowe zawieraj¹ce kilka przyrz¹dów wirtualnych? Otwarta jest równie¿ kwestia analizy dok³adnoœci i zwi¹zanej z ni¹ klasy przyrz¹du. Proponowan¹ metod¹ dokonania tej analizy
jest wykorzystanie modelowania i symulacji.
4.1. Przyrz¹dy do badania filtrów aktywnych
W ZME, na potrzeby dydaktyki, opracowane zosta³y dwa wariantowe rozwi¹zania przyrz¹du wirtualnego do badania charakterystyk wzmacniaczy i filtrów aktywnych. Obydwa
umo¿liwiaj¹ automatyczny pomiar i rejestracjê charakterystyk: amplitudowo-czêstotliwoœciowych, amplitudowo-fazowych, statycznych i dynamicznych charakterystyk przejœciowych, odpowiedzi na skok jednostkowy, odpowiedzi impulsowej, odpowiedzi na napiêcie
liniowo narastaj¹ce. Do realizacji pierwszego wariantu (rys.9) wykorzystano autonomiczne
przyrz¹dy pomiarowe: generator funkcyjny (AFG5101 Tektronix), multimetr cyfrowy
(DM5120 Tektronix), oscyloskop cyfrowy (2224 Tektronix), komutator (I201 Meratronik).
Wszystkie wymienione przyrz¹dy wspó³pracuj¹ z kontrolerem systemu (IBM PC-486) za
poœrednictwem interfejsu IEC-625. Algorytm pracy systemu jest funkcj¹ rodzaju dokonywanego pomiaru. Szczegó³owy jego opis znaleŸæ mo¿na w pracy [12].
GENERATOR
UK£AD
BADANY
SKANER
WOLTOMIERZ
IEC-625
IEC-625
KONTROLER
DRUKARKA
OSCYLOSKOP
PLOTER
Rys. 9 Struktura przyrz¹du wirtualnego do badania charakterystyk filtrów aktywnych
W drugim wariancie podobne funkcje pomiarowe zrealizowano stosuj¹c uniwersaln¹
kartê zbierania danych - Lab PC+, National Instruments, która wspó³pracuje bezpoœrednio
z magistral¹ komputera (IBM PC-486). Pojêcie „przyrz¹d wirtualny” nie podlega tutaj
dyskusji. W obydwu przypadkach oprogramowanie systemowe ( z grafik¹), w postaci "user
friendly" opracowane zosta³o w zintegrowanym œrodowisku LabWindows firmy National
Wirtualne przyrz¹dy pomiarowe
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Instruments. Zasada dzia³ania systemu jest bardzo prosta i wynika wprost ze schematu
funkcjonalnego zamieszczonego na rysunku 10. Szczegó³owy jego opis znaleŸæ mo¿na w
pracy [14]. P³yta czo³owa wirtualnego analizatora (dla obydwu wariantów) przedstawiona
jest na rys.11.
KARTA ZBIERANIA DANYCH
LAB PC+
ku(f)
M
A/C
f
U
X
MIKROKOMPUTER
IBM PC
C/A
wzmacniacz we
kana³ 1
wzmacniacz we
kana³ 2
UK£AD
BADANY
wzmacniacz wy
kana³ 1
Rys. 10 Schemat blokowy analizatora charakterystyk filtrów aktywnych: DAQ
Rys. 11 P³yta czo³owa analizatora charakterystyk filtrów aktywnych: IEC, DAQ (grafika zredukowana do postaci binarnej - dla przejrzystoœci)
4.2. Dwukana³owy analizator widma
Niejako akademicki przyk³ad wirtualnego przyrz¹du pomiarowego opracowanego w ZME
stanowi dwukana³owy analizator widma (rys.12) [10]. Wykorzystuje on równie¿ kartê Lab PC+ i
powsta³ z u¿yciem oprogramowania narzêdziowego LabWindows. P³ytê czo³ow¹ przyrz¹du do
pracy w trybie „on-line” przedstawia rysunek 13.
R.J. Rak
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
KARTA ZBIERANIA DANYCH
LAB PC+
|H(f)|
M
A/C
f
wzmacniacz we
kana³ 1
U
X
wzmacniacz we
kana³ 2
UK£AD
BADANY
MIKROKOMPUTER
IBM PC
Rys. 12 Schemat blokowy wirtualnego analizatora widma
Rys. 13 P³yta czo³owa wirtualnego analizatora widma - tryb „on-line” (grafika zredukowana do postaci binarnej - dla przejrzystoœci)
Dwa warianty p³yty czo³owej w trybie „off-line” przedstawione s¹ na rysunkach 14 i 15.
W pierwszym wariancie na ekranie p³yty zobrazowany jest fragment przebiegu czasowego
sygna³u wybrany do dalszych analiz ze znacznie d³u¿szej realizacji czasowej. W wariancie
drugim na ekranie zobrazowane jest widmo wybranego fragmentu sygna³u. Obserwacja
p³yt czo³owych w ka¿dym przypadku umo¿liwia zapoznanie siê z funkcjami przyrz¹du jakie s¹ aktualnie dostêpne. Wystêpowanie kilku „p³yt czo³owych”. do wyboru, jest dowodem
na szerokiego zakresu funkcjonalnoœci. Szczególnego znaczenia ten fakt nabiera w przypadku zastosowañ dydaktycznych.
Wirtualne przyrz¹dy pomiarowe
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Rys. 14 P³yta czo³owa wirtualnego analizatora widma - tryb „off-line”, zobrazowanie sygna³u
(grafika zredukowana do postaci binarnej - dla przejrzystoœci)
Rys. 15 P³yta czo³owa wirtualnego analizatora widma - tryb „off-line”, zobrazowanie widma
(grafika zredukowana do postaci binarnej - dla przejrzystoœci)
R.J. Rak
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4.3. Zestaw przyrz¹dów wirtualnych
Na rys.16 przedstawiono panel p³yty czo³owej, opracowanego w ZME zestawu wirtualnych przyrz¹dów pomiarowych: oscyloskop, generator, multimetr, komutator. Zestaw ten
opracowano na bazie przyrz¹dów autonomicznych, odpowiednio: TEK 2224, AFG 5101,
DM5120 firmy Tektronix, oraz I201, Meratronik.
Rys. 16 Panel p³yty czo³owej zestawu przyrz¹dów wirtualnych (grafika zredukowana do postaci czarno-bia³ej)
W zwi¹zku ze sta³ym wzrostem popularnoœci
wirtualnych przyrz¹dów
pomiarowych w
wielu zastosowaniach rodzi siê pokusa unowoczeœnienia istniej¹cego systemu. Chodzi
zwykle o zwiêkszenie szybkoœci przetwarzania danych pomiarowych, poprawienie lub
wrêcz stworzenie od podstaw zobrazowania graficznego wyników, a tak¿e polepszenie komunikatywnoœci w kierunku bardziej przyjaznej dla u¿ytkownika. Niestety czêsto okazuje
siê, ¿e realizuj¹c system od podstaw, z u¿yciem nowoczesnych narzêdzi uzyskuje siê
znacznie ciekawsze wyniki.
5. SYSTEMY ROZPROSZONE TERYTORIALNIE
Architektura przyrz¹du wirtualnego znacz¹co przyczyni³a siê do powstania nowoczesnej
struktury systemu pomiarowego rozproszonego terytorialnie.
Standardy do tej pory obowi¹zuj¹ce w dziedzinie systemów rozproszonych terytorialnie
to: IPRS, RS422 i RS423, RS485 oraz typowe ³¹cza telekomunikacyjne komutowane lub
dzier¿awione (z zastosowaniem modemów).
Koncepcja nowoczesna to wykorzystanie sieci komputerowych. (lokalne sieci komputerowe, Internet). Charakteryzuj¹ j¹ nastêpuj¹ce cechy:
Wirtualne przyrz¹dy pomiarowe
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
·
·
·
Wspó³u¿ywanie pamiêci masowych do archiwizacji danych
dostarczonych z poszczególnych stanowisk;
Wspó³u¿ywanie zasobów sprzêtowych zainstalowanych w sieci,
pozwalaj¹ce na optymalizacjê ich wykorzystania;
Mo¿liwoœæ funkcjonalnej integracji rozproszonych zasobów
pomiarowych pozwalaj¹ca realizowaæ ró¿ne zadania bez potrzeby przebudowy podstawowej struktury sieci.
Podstawowa architektura baz danych to pliki servera (komunikacja na poziomie plików):
·
·
Plik ORDER.FILE - gdzie gromadzone s¹ polecenia dla ka¿dego z elementów pracuj¹cych w sieci komputerowej.
Plik SCORE.FILE - gdzie gromadzone s¹ wyniki pomiarów
aktualnie dokonywanych.
Przyk³adowa architektura systemu rozproszonego zbudowanego na bazie lokalnej sieci
komputerowej przedstawiona jest na rysunku 17.
FILE SERVER
TERMINAL 1
TERMINAL 2
TERMINAL 3
LAN
KONTROLER
KONTROLER
IEC-625
IEC-625
KONTROLER
RS 423
VXI
RS 423
IEC-625
P1
IEC-625
P2
P2
P3
P3
RAM
RAM CPU
CPU
MXI
/
VXI
PRZYRZ¥D 1
PRZYRZ¥D 2
PRZYRZ¥D 3
PRZYRZ¥D 4
Rys. 17 Architektura systemu rozproszonego zbudowanego na bazie lokalnej sieci komputerowej
6. WNIOSKI
Mo¿na zaryzykowaæ stwierdzenie, ¿e nowa era w dziedzinie projektowaniu systemów pomiarowych rozpoczê³a siê z chwil¹ wprowadzenia do u¿ytku interfejsu IEC-625. Obowi¹zuj¹ce do
tej pory rêczne wykonywanie pomiarów oraz zapisywanie wyników na papierze, stanowi³o wyj¹tkowo ¿mudne i pracoch³onne zajêcie. Nastêpnie, nierzadko bardzo du¿e zbiory danych wprowadzane by³y do komputera aby tam podlegaæ stosownemu przetwarzaniu. Interfejsy pomiarowe
(IEC-625 oraz RS232) u³atwi³y wprowadzanie danych pomiarowych bezpoœrednio do komputera. Z kolei wielofunkcyjne karty zbierania i analizy danych doprowadzi³y do powstania ekspansywnego pojêcia przyrz¹du wirtualnego.
Ujemn¹ cech¹ automatycznego zbierania bardzo du¿ej liczby danych pomiarowych oraz ich
obróbki z u¿yciem zaawansowanych procedur cyfrowego przetwarzania sygna³ów, jest pojawienie siê znacznego dystansu pomiêdzy zbiorem danych wejœciowych, a uzyskiwanym efektem
R.J. Rak
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
koñcowym. Nierzadko, u¿ytkownikowi trudno jest zinterpretowaæ wyniki. Co wiêcej, u¿ytkownik mo¿e nie rozumieæ, w pe³ni, zasady dzia³ania swoich przyrz¹dów. Mo¿e je u¿yæ w sposób
nieprawid³owy lub ma³o efektywny, czego nigdy nie zauwa¿y. Aby ograniczyæ niebezpieczeñstwa z tym zwi¹zane, do tego typu przyrz¹dów powinny byæ do³¹czane proste systemy ekspertowe zapoznaj¹ce u¿ytkowników z ich prawid³ow¹ obs³ug¹ i wykorzystaniem. Powszechnie uwa¿a
siê, ¿e z³otym œrodkiem do upraszczania konstrukcji przyrz¹dów jest "powiêkszanie" udzia³u
modu³ów programowych (a w szczególnoœci cyfrowego przetwarzania sygna³ów) w procesie
pomiarowym. Jako znamienny przyk³ad mo¿e tu pos³u¿yæ technika zastosowania prostego filtru
antyaliasingowego i filtracji cyfrowej w miejsce skomplikowanego, wielocz³onowego filtru analogowego. Ten ci¹gle "przesuwaj¹cy siê" punkt w zakresie zastosowañ programowo kontrolowanego cyfrowego przetwarzania sygna³ów, wywiera bardzo znacz¹ce piêtno na procesy projektowania systemów pomiarowych. Jest prawie pewnym, ¿e w przysz³oœci, œrodek ciê¿koœci zbioru
wymagañ stawianych systemowi pomiarowemu bêdzie coraz bardziej przesuwa³ siê z czêœci
sprzêtowej do programowej. Jest równie¿ pewnym, ¿e nie wyeliminuje jej zupe³nie.
LITERATURA
[1].
Grossman M.:Test
[2].
Hewlett-Packard:
and Measurement, IEEE Spectrum, January 1993, pp.50-57.
Test and Measurement Catalog, 1997.
[3]. Tektronix: 1992 Catalog"+"Product Catalog Suplement - November 1997.
[4]. National Instruments: Instrumentation Reference and Catalogue, 1998
[5]. National Instruments: IEC-625 and VXIbus, Data Acquisition, and Analysis, 1992.
[6]. IOtech: Products for the IEEE Bus - 1992 Catalog.
[7]. Keithley: Catalog and Reference Guide 1998.
[8]. Hewlett-Packard: VXIbus Compendium of Papers, 1992.
[9]. Hewlett-Packard: Tools for Succesful Data Acquisition from start to finish, 1992.
[10]. Majkowski A.: Cyfrowy analizator widma jako przyrz¹d wirtualny, IX Krajowa
Konferencja Metrologii, Czêstochowa 1996.
[11]. Winiecki
W.:
Organizacja mikrokomputerowych systemów pomiarowych, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997.
[12]. Rak R. J., Peranek B.:
Automatic Measurement System for testing four terminal networks,
National Instruments User Symp., Monachium, 1994.
[13]. Rak R. J:
Projektowanie systemów pomiarowych, Szko³a - Konferencja: Metrologia
wspomagana komputerowo, Zegrze k/W-wy, 1993.
[14]. Rak R.J.:
Wirtualne pzyrz¹dy pomiarowe z kart¹ Lab-PC+, Elektronik - magazyn
elektroniki profesjonalnej, Nr.5, Maj, 1998.
Klasyczna a wirtualna realizacja systemu pomiarowego - dyskusja na przyk³adzie wybranych systemów, Konferencja Naukowa Systemy Pomiaro-
[15]. Rak R.J., Siedlecki A.:
we w Badaniach Naukowych i w Przemyœle, Zielona Góra 1996r.
VIRTUAL MEASUREMENT INSTRUMENTS
In this paper there is described systematically the genesis and characteristic of virtual instruments. The characteristics includes a definition and description of categories. At the end there are included practical examples of virtual instruments and the
proposal of a modern distributed measurement system.