5. SYSTEMY POMIAROWE

5. SYSTEMY POMIAROWE
5.1. Definicja i klasyfikacja systemów pomiarowych
System pomiarowy jest definiowany jako zbiór jednostek funkcjonalnych tworzących
całość organizacyjną, objętych wspólnym sterowaniem przeznaczony do realizacji
określonego celu metrologicznego. Sterowanie systemem jest realizowane przez nadrzędną
jednostkę funkcjonalną nazywaną kontrolerem, działającą wg zaprogramowanego
algorytmu. Cechą charakterystyczną systemów pomiarowych jest algorytmizacja procesów
pomiarowych oraz współdziałanie (integracja) sprzętu i oprogramowania. Współcześnie
występuje trend rozbudowy oprogramowania systemów i redukcja części sprzętowej.
W zależności od przeznaczenia (rys. 5.1) rozróżnia się trzy klasy systemów
pomiarowych: badawcze, pomiarowo-kontrolne i pomiarowo-diagnostyczne.
Systemy pomiarowe
badawcze
pomiarowo-kontrolne
pomiarowo-diagnostyczne
Rys. 5.1. Klasyfikacja systemów pomiarowych
Systemy badawcze stosowane są w pomiarach naukowych, do empirycznej weryfikacji
hipotez naukowych. Systemy te są wykorzystywane w wielu dziedzinach nauki, jak:
elektronika, fizyka, chemia, mechanika, biologia, medycyna.
Systemy pomiarowo-kontrolne używane są w przemyśle do automatyzacji procesów
technologicznych. W systemach takich stosuje się zwykle znaczne ilości czujników
rozmieszczonych na całym kontrolowanym obiekcie i przetworników formujących sygnały
wykorzystywane dalej przez regulatory sterujące procesem technologicznym.
Systemy pomiarowo-diagnostyczne służą do detekcji i lokalizacji uszkodzeń. Celem
diagnozowania jest nie tylko stwierdzenie stanu obiektu, ale często również wskazanie
uszkodzonego elementu.
5.2. Konfiguracje systemów pomiarowych
Konfiguracja systemu pomiarowego jest to sposób połączeń jednostek funkcjonalnych
w systemie pomiarowym. Konfiguracja określa układ dróg przepływu informacji
w systemie. Aktualnie są stosowane trzy podstawowe konfiguracje systemów
pomiarowych: gwiazdowa, magistralowa i pętlowa, a także ich kombinacje.
W konfiguracji gwiazdowej (rys. 5.2) centralna pozycja jest zarezerwowana dla
kontrolera systemu. Kontroler pośredniczy w przekazywaniu każdej informacji między
pozostałymi jednostkami funkcjonalnymi. Przesyłanie informacji jest możliwe jedynie
między kontrolerem a jednostkami funkcjonalnymi. Oznacza to, że jednostka funkcjonalna
nie może przesłać informacji do innej jednostki bezpośrednio, tylko za pośrednictwem
kontrolera. Konfiguracja gwiazdowa jest stosowana w prostych systemach pomiarowych, o
niewielkiej i ustalonej liczbie jednostek funkcjonalnych. Rozbudowa systemu o
konfiguracji gwiazdowej, jest bardzo utrudniona.
2
Jednostka
funkcjonalna 2
Jednostka
funkcjonalna 1
Jednostka
funkcjonalna 3
Kontroler
Jednostka
funkcjonalna n
Rys. 5.2. Konfiguracja gwiazdowa systemu pomiarowego
W konfiguracji magistralowej rys (5.3) wszystkie współpracujące w systemie
urządzenia są dołączone równolegle do magistrali cyfrowej. Sama magistrala jest zespołem
linii, po których przekazywane są wszystkie informacje przesyłane pomiędzy dowolnymi
urządzeniami pracującymi w systemie. W konfiguracji tej żadne z urządzeń systemu nie ma
wyróżnionej pozycji. Kontrolerem systemu może być każde z urządzeń dołączonych do
magistrali i mające zdolność sterowania systemem. Zatem w systemie tym może pracować
kilka kontrolerów przekazujących sobie funkcje sterowania systemem, przy czym w danej
chwili aktywny może być tylko jeden z nich.
Jednostka
funkcjonalna 1
Jednostka
funkcjonalna 2
Jednostka
funkcjonalna n
Kontroler
Magistrala
Rys. 5.3. Konfiguracja magistralowa systemu pomiarowego
W systemie o konfiguracji magistralowej zachodzi konieczność udzielania zezwoleń
poszczególnym urządzeniom na nadawanie informacji, jak i powiadamianie o konieczności
przyjęcia nadawanej informacji. Te czynności organizacyjne nazywa się odpowiednio:
adresowaniem do nadawania i adresowaniem do odbioru. W danej chwili aktywna może
być dowolna liczba odbiorców, ale tylko jeden nadawca.
Konieczność adresowania powoduje, że rozmieszczenie inteligencji w systemie
o konfiguracji magistralowej jest bardziej równomierne niż w konfiguracji gwiazdowej.
Podnosi to koszt systemu, ale znacznie zwiększa jego elastyczność. Możliwa jest
np. wymiana informacji między urządzeniami bez pośrednictwa kontrolera. Konfiguracja
magistralowa zapewnia największą strukturalną i funkcjonalną elastyczność systemu i
umożliwia jego rozbudowę podczas eksploatacji przez zamianę lub zwiększenie liczby
jednostek funkcjonalnych.
Trzecią podstawową konfiguracją systemów pomiarowych jest konfiguracja pętlowa
(rys. 5.4). Wszystkie linie sygnałowe są w tej konfiguracji jednokierunkowe, wskutek
3
czego kierunek obiegu informacji w pętli jest ustalony. Podobnie jak w konfiguracji
magistralowej, kontroler systemu nie zajmuje tu wyróżnionego miejsca.
Jednostka
funkcjonalna 1
Jednostka
funkcjonalna 2
Jednostka
funkcjonalna 3
Kontroler
Jednostka
funkcjonalna n
Jednostka
funkcjonalna 4
Rys. 5.4. Konfiguracja pętlowa systemu pomiarowego
Transmisja informacji w pętli odbywa się w sposób następujący. Informacja nadawana
przez kontroler wysyłana jest do najbliższej jednostki funkcjonalnej 1, w kierunku
zgodnym z obiegiem pętli, gdzie zostaje ona przyjęta i przeanalizowana. Jeżeli jest
przeznaczona właśnie dla jednostki funkcjonalnej 1, to zostaje wykorzystana, co oznacza
albo przyjęcie danych, albo wykonanie instrukcji sterującej. Następnie informacja
w niezmienionej postaci zostaje przesłana dalej. Jeśli zaś nie była przeznaczona dla
jednostki funkcjonalnej 1, to jest bezzwłocznie przekazywana dalej, tuż po wstępnej
interpretacji. Powrót informacji do kontrolera oznacza, że przeszła ona przez wszystkie
urządzenia i została wykorzystana przez te z nich, które były wcześniej wyznaczone
(zaadresowane) do odbioru. Jest to więc jednocześnie potwierdzenie odbioru i zezwolenie
na nadanie następnej informacji.
W systemach o konfiguracji pętlowej, podobnie jak w magistralowej, zachodzi
konieczność adresowania urządzeń do nadawania i odbioru informacji. W porównaniu z
innymi konfiguracjami, konfiguracja pętlowa ma najmniejszą szybkość działania, natomiast
ma najmniejszą liczbę linii sygnałowych.
W praktyce najczęściej stosuje się systemy pomiarowe o konfiguracji magistralowej,
w których przesyłanie informacji odbywa się za pośrednictwem wieloprzewodowej
magistrali.
5.3. Struktury systemów pomiarowych
Struktura typowego systemu pomiarowego przedstawiona jest na rys. 5.5. W jego skład
wchodzi kontroler sterujący pracą systemu oraz zespół jednostek funkcjonalnych, wśród
których są czujniki pomiarowe przetwarzające wielkości pomiarowe pochodzące z obiektu
pomiaru na sygnały elektryczne, blok akwizycji sygnałów umożliwiający zbieranie
sygnałów pomiarowych i przetwarzanie analogowo-cyfrowe (A/C), blok przetwarzania
danych realizujący cyfrowe przetwarzanie sygnałów, blok generacji wymuszeń
umożliwiający zwrotne oddziaływanie na obiekt oraz blok komunikacji z użytkownikiem.
Kontroler systemu jest odpowiedzialny za czasowo-przestrzenną koordynację działań
systemu, a więc wybór punktów pomiarowych, ustalenie warunków pomiaru, określenie
momentu rozpoczęcia pomiaru oraz organizację przepływu informacji. Kontroler systemu
wykonuje czynności sterujące w systemie pomiarowym zgodnie z programem zawartym
w pamięci. Rozróżnia się kontrolery realizujące wyłącznie stały algorytm pomiarowy
(sterowniki układowe) oraz kontrolery realizujące różne algorytmy, przez zmianę
4
programów wpisanych do pamięci kontrolera. Najczęściej funkcję kontrolera pełnią
systemy mikroprocesorowe, które obok czynności sterujących mogą także przetwarzać
dane.
C/A, C/C
Blok
generacji
sygnałów
f k j
l
Sygnały pomiarowe
Obiekt
pomiarowy
A/A
Czujniki
pomiarowe
A/C
Blok
akwizycji
sygnałów
f k j
l
C/C
Blok
przetwarzania
danych
Kontroler
Blok
komunikacji
z użytkownikiem
Operator systemu
Rys. 5.5. Struktura systemu pomiarowego
Blok komunikacji z użytkownikiem jest przeznaczony do wprowadzania i odbierania
informacji z systemu przez użytkownika. W systemach bez komputera wprowadzanie
informacji może być dokonywane np. za pomocą przełączników, natomiast w systemach
komputerowych za pomocą klawiatury, stacji dyskietek, myszki, pióra świetlnego.
Wyprowadzanie informacji odbywa się za pomocą rejestratorów cyfrowych bądź
analogowych, monitorów ekranowych, drukarek oraz z użyciem zapisu do pamięci
dyskowej.
Czujniki pomiarowe przekształcają wielkości nieelektryczne, lub trudno mierzalne
wielkości elektryczne, na łatwo mierzalne wielkości elektryczne, takie jak napięcie stałe,
częstotliwość czy przedział czasu. Postęp w mikroelektronice przyczynił się do powstania
tzw. czujników inteligentnych, które zintegrowane są z układem przetwarzania
i standaryzacji sygnału. Czujniki te potrafią realizować funkcje autokalibracji, linearyzować
charakterystykę przetwarzania, a także eliminować wpływ zakłóceń.
Blok akwizycji pośredniczy między czujnikami pomiarowymi a blokiem przetwarzania
danych. Jego zadaniem jest zbieranie sygnałów pomiarowych i przekształcenie ich na
postać cyfrową. W bloku akwizycji wykonywana jest wstępna normalizacja sygnału
analogowego (często nazywana kondycjonowaniem sygnału) oraz przetwarzanie napięciecyfra bądź czas-cyfra. Przetwarzanie napięcie-cyfra jest stosowane przy pomiarach
napięcia, prądu, rezystancji itp. Przetwarzanie czas-cyfra stosowane jest przy pomiarach
odstępu czasu, częstotliwości, okresu, przesunięcia fazowego. Przykładową konfigurację
bloku akwizycji przedstawia rys. 5.6.
Na wejściu bloku znajduje się przełącznik kanałów umożliwiający wybór sygnału
z poszczególnych czujników według określonego programu. Układ formujący służy do
normalizacji sygnału wejściowego, dotyczącej impedancji wejściowej, zakresu i szybkości
zmian sygnału, charakterystyki kanału pomiarowego. W układzie próbkującopamiętającym dokonywane jest pobranie próbek wartości sygnału w dyskretnych
5
momentach i zapamiętywanie tych wartości w czasie przetwarzania przetwornika A/C.
Przetwornik A/C realizuje konwersje sygnału analogowego na kod cyfrowy. Przy dużej
szybkości zmian sygnału wejściowego stosuje się przetworniki A/C przetwarzające metodą
bezpośredniego kodowania lub kompensacyjną, przy małej szybkości metodami
integracyjnymi.
sygnały
z czujników
Przełącznik
kanałów
Wejściowy
układ
formujący
Układ
próbkującopamiętający
Przetwarzanie
A/C
do bloku
przetwarzania
danych
Rys. 5.6. Konfiguracja bloku akwizycji
Blok akwizycji należy do najważniejszych bloków funkcjonalnych systemu
pomiarowego. Praktyczne realizacje bloku akwizycji są uzależnione od przeznaczenia
systemu. I tak blok akwizycji tworzyć może woltomierz cyfrowy z zewnętrznym
przełącznikiem kanałów, dołączony do magistrali systemu. Wiele firm w uniwersalnych
systemach pomiarowych wykorzystuje dwa typy woltomierzy: woltomierz próbkujący - do
pomiarów szybkich ale mniej dokładnych i woltomierz integracyjny – do pomiarów
dokładnych ale wolniejszych. W systemach skupionych, np. klasy „workstation”, bloki
akwizycji wykonywane są w formie modułowej. Rozpowszechnienie komputerów
personalnych spowodowało pojawienie się tzw. kart pomiarowych, służących do akwizycji
sygnałów analogowych. Obecnie wiele firm (National Instrument, Keithley) specjalizuje się
w realizacji tych kart, zapewniając wiele ich wersji, o zróżnicowanej strukturze
i parametrach metrologicznych. Wiele kart wyposażonych jest w przetworniki
cyfrowo-analogowe (C/A) umożliwiające generację sygnałów wymuszających
analogowych i cyfrowych.
Blok przetwarzania danych jest odpowiedzialny za cyfrową obróbkę sygnałów
pomiarowych zgodnie z przyjętym algorytmem. Jeżeli kontrolerem w systemie
pomiarowym jest komputer, to na ogół, oprócz sterowania systemem, pełni on jednocześnie
funkcje bloku przetwarzania danych. W przypadku systemów wymagających przetwarzania
w czasie rzeczywistym (real time processing) przyspieszenie obliczeń zapewniają
wydzielone bloki funkcjonalne z procesorami sygnałowymi, realizujące złożone
i pracochłonne algorytmy przetwarzania danych.
Blok generacji sygnałów wykorzystywany jest do wytwarzania sygnałów
wymuszających (programowane źródła napięć i prądów), do generacji sygnałów
wzorcowych oraz do wytwarzania sygnałów sterujących elementami wykonawczymi
obiektu pomiarowego. Blok ten wymaga jednego lub kilku przetworników C/A w celu
wytworzenia sygnałów analogowych.
Podział funkcjonalny systemu na bloki funkcjonalne nie zawsze pokrywa się z jego
realizacją techniczną, często oddzielny element systemu może odpowiadać kilku blokom
funkcjonalnym. Podstawową formą realizacji technicznej jednostek funkcjonalnych w
komputerowych systemach pomiarowych z interfejsem GPIB oraz RS232 są przyrządy
pomiarowe, mogące pracować również w trybie autonomicznym. W systemach
modułowych typu CAMAC czy VXI jednostki funkcjonalne realizowane są w postaci
modułów wsuwanych do standardowej obudowy. Moduły te nie mogą pracować poza
systemem.
6
Jednostki funkcjonalne mogą być realizowane w sposób sprzętowy, sprzętowoprogramowy lub programowy. Realizacje sprzętowe są zwykle najdroższe, jednak
zapewniają największą szybkość działania. Przykładem realizacji zbioru bloków
funkcjonalnych może być woltomierz cyfrowy w formie samodzielnego przyrządu
pomiarowego. Najtańsze są rozwiązania programowe realizowane zwykle przy pomocy
komputera pełniącego równocześnie funkcje kontrolera systemu, jednak szybkość takich
rozwiązań jest zwykle mała. Przykładem takiego rozwiązania jest procedura programowa
wykonywana przez komputer PC i realizująca funkcję bloku przetwarzania danych.
Kompromisem cenowo-szybkościowym są rozwiązania sprzętowo programowe, w których
część funkcji jest realizowana przez sprzęt, a pozostała część przez program komputera.
Przykładem tej koncepcji są wirtualne przyrządy pomiarowe.
Wirtualne przyrządy pomiarowe składają się z komputera ogólnego przeznaczenia
i dołączonych do niego sprzętowych bloków funkcjonalnych. Funkcje i możliwości takich
przyrządów określone są zarówno przez sprzęt, jak i oprogramowanie, a ich obsługa
odbywa się za pomocą ekranu komputerowego, klawiatury i myszy z wykorzystaniem
graficznego interfejsu użytkownika. Jako komputer najczęściej wykorzystywany jest
komputer typu PC. W roli sprzętowych bloków funkcjonalnych używane są zewnętrzne
przyrządy pomiarowe wyposażone w interfejs GPIB, pakiety akwizycji danych
zrealizowane w postaci karty wkładanej do komputera czy też moduły wyposażone
w interfejs VXI.
Przyrząd wirtualny może być budowany zarówno przez producenta firmowego jak
i samodzielnie przez użytkownika. W obu przypadkach kluczową częścią przyrządu jest
oprogramowanie, które integruje komputer i bloki pomiarowe, tworząc z nich przyrząd. Na
oprogramowanie przyrządu wirtualnego składa się panel graficzny przyrządu oraz
sterownik części sprzętowej. Panel graficzny na ekranie komputera odwzorowuje płytę
czołową przyrządu wirtualnego. Panel ten zawiera zbiór symboli graficznych, służących do
obsługi przyrządu takich jak przełączniki, pokrętła, wskaźniki analogowe i cyfrowe, pola
znakowe lub numeryczne, pola wykresów i inne. Przykład panelu wirtualnego przyrządu
pokazany jest na rys. 5.7.
Rys. 5.7. Panel wirtualnego przyrządu pomiarowego
7
Sterownik części sprzętowej stanowi zbiór funkcji wykorzystywanych przy komunikacji
z przyrządem takich jak programowanie nastaw, wyzwalanie pomiaru, odbiór wyników,
wyświetlanie wyników.
Cechą wirtualnego przyrządu pomiarowego jest funkcjonalna elastyczność
i rekonfigurowalność. Umożliwia to stworzenie na bazie danego sprzętowego bloku
funkcjonalnego szerokiego zbioru przyrządów wirtualnych realizujących różnorodne
funkcje i redukcję kosztów przyrządów oraz skrócenie czasu ich opracowania i dalszych
modyfikacji.
5.4. Interfejsy systemów pomiarowych
Sterowanie pracą każdego systemu pomiarowego, a także przesyłanie informacji
pomiarowych, odbywa się za pośrednictwem systemu interfejsu. Jest to układ
komunikacyjno-informacyjny systemu pomiarowego. Obowiązuje w nim ustalony zbiór
reguł obejmujących zasady zarządzania systemem pomiarowym przez kontroler, a także
ustalających sposób kodowania informacji i jej przesyłania. W szczególności reguły te
określają parametry elektryczne sygnałów i metody transmisji, protokoły komunikacyjne
i metody kodowania sygnałów, wymagania mechaniczne na gniazda połączeniowe
i rozmieszczenie w nich poszczególnych sygnałów. Ze względu na rodzaj transmisji
interfejsy możemy podzielić na szeregowe i równoległe.
W interfejsie szeregowym poszczególne bity danego słowa przesyła się kolejno, bit po
bicie. Ze względu na niskie koszty okablowania, gdzie wykorzystuje się tylko dwa lub trzy
przewody, interfejsy szeregowe stosuje się przy przesyłaniu sygnałów na duże odległości.
Najbardziej znanym interfejsem szeregowym jest wykorzystywany powszechnie do
komunikacji pomiędzy komputerem a urządzenia peryferyjnymi interfejs RS-232C oraz
jego zmodyfikowana wersja RS-485. Interfejs ten jest wykorzystywany w systemach
pomiarowych, gdzie nie jest wymagana duża szybkość działania, a istotny jest niski koszt.
W interfejsach równoległych przesyłaną informację dzieli się na słowa (np. po 8 lub 16
bitów). Wszystkie bity danego słowa przesyła się jednocześnie (równolegle), natomiast
poszczególne słowa przesyłane są szeregowo, jedno po drugim. Dzięki temu transmisja
równoległa jest znacznie szybsza od szeregowej. Wadą interfejsów równoległych jest
większy koszt okablowania – każdy bit danego słowa wymaga oddzielnej linii.
W systemach pomiarowych interfejsy równoległe są najczęściej stosowane w systemach
modułowych, gdzie odległości między modułami umieszczonymi w kasecie są bardzo małe
i gdzie wymagana jest duża szybkość działania np. interfejs CAMAC, VXI. Również
interfejsem równoległym jest stosowany powszechnie w systemach pomiarowych interfejs
GPIB.
5.4.1. Interfejs RS 232C
Standard interfejsu RS-232 został określony już w 1962 roku. Jego poprawioną wersję
RS-232C zdefiniowano w 1969 roku.
W standardzie RS-232 określono sposób połączenia urządzeń w celu szeregowego
przesyłania danych. W skład ogólnej struktury układu transmisyjnego wchodzą dwa
urządzenia końcowe dla danych DTE (ang. Data Terminal Equipment) np. komputery
połączone kanałem teletransmisji. Ponieważ bezpośrednie połączenie takich urządzeń
z kanałem teletransmisji jest niemożliwe, wykorzystuje się dodatkowe urządzenia
komunikacyjne dla przesyłu danych DCE (ang. Data Communication Equipment)
8
np. modemy telefoniczne. Zadaniem interfejsu RS-232 jest połączenie urządzenia DTE
z urządzeniem DCE.
Standard RS 232 nie był początkowo przewidywany do łączenia przyrządów
pomiarowych, jednak ze względu na to że w interfejs ten wyposażony jest każdy komputer,
stał się on popularny również w zastosowaniach pomiarowych. Przy połączeniu przyrządu
pomiarowego z komputerem łączą się dwa urządzenia DTE bez pośrednictwa urządzeń
DCE. Takie połączenie nazywa się systemem modułu zerowego (ang. null modem).
Przykład najprostszego połączenia przyrządu pomiarowego z komputerem z użyciem
interfejsu RS-232 przedstawiony jest na rys. 5.8. Wykorzystane w nim są tylko 3 linie
spośród ogólnej liczby 21 linii interfejsu.
DTE 1
TxD
RxD
RTD
CTS
DCD
DSR
DTR
SGND
TxD
RxD
RTD
CTS
DCD
DSR
DTR
SGND
Nazwy linii
TxD - Transmitted Data (dane nadawane)
RxD - Received Data (dane odbierane)
SGND - Signal Ground (masa sygnałowa)
DTE 2
Rys. 5.8. Połączenie dwóch urządzeń DTE bez sterowania transmisją
Przy wykorzystaniu interfejsu RS 232 najczęściej stosuje się transmisję asynchroniczną
start-stopową, w której słowa w postaci ciągu bitów przesyłane są asynchronicznie,
natomiast bity w poszczególnym słowie przesyłane są synchronicznie.
Zasada transmisji start-stopowej poprzez interfejs RS-232 jest przedstawiona
na rys. 5.9. W czasie gdy nie są przesyłane dane, na linii TxD nadajnika występuje stan
wysoki. Przesyłanie danych rozpoczyna się wysłaniem przez nadajnik linią TxD bitu startu
o poziomie niskim. Po opóźnieniu równym połowie czasu przesłania bitu odbiornik na linii
RxD odczytuje jego stan, a następnie stan kolejnych bitów danego słowa. Po bicie startu
przesyła się od 5 do 8 bitów danych, a po nich można przesłać (ale nie obligatoryjnie) bit
kontroli parzystości. Przesłanie słowa kończy się jednym lub dwoma bitami stopu
o poziomie wysokim.
przerwa
między
słowami
bit
startu
start b1
d 8 bitó d
bit
parzystosci
5 do 8 bitów danych
b2
h
b3
b4
b5
b6
b7
parz.
1 lub 2
bity
stopu
stop
przerwa
między
słowami
stop
momenty odczytu
stanu kolejnego bitu
Rys. 5.9. Zasada transmisji start-stopowej przez interfejs RS-232
W celu zapewnienia prawidłowego odbioru informacji nadajnik i odbiornik powinny
pracować z tą samą częstotliwością. Odbiornik również musi znać format przesyłanego
słowa, tzn. liczbę bitów danych, występowanie i rodzaj bitu parzystości (ang. even paritykontrola parzystości, lub ang. odd parity- kontrola nieparzystości) oraz liczbę bitów stopu.
9
Maksymalna prędkość transmisji zależy od długości połączeń Zaleca się prędkości do
20 kb/s, m.in. 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 kb/s. Długość połączeń nie
powinna przekraczać zwykle 15 m. Przy krótkich połączeniach prędkość transmisji można
zwiększyć do 112 kb/s. Zwiększenie zasięgu ponad 15 m umożliwia zastosowanie tzw.
pętli prądowej. Stan „1” reprezentuje prąd o wartości 20 mA, stan „0” – brak przepływu
prądu.
Zwykle komputer PC wyposażony jest w dwa porty RS-232. Umożliwia to dołączenie
najwyżej dwóch urządzeń, a w przypadku gdy do portu RS-232 dołączona jest również
mysz, tylko jednego urządzenia. Jeżeli do komputera trzeba podłączyć więcej urządzeń,
należy skorzystać z dodatkowych modułów zwiększających ilość portów RS-232.
Przy użyciu interfejsu RS-232 stosowana jest również transmisja synchroniczna. Polega
ona na przesyłaniu bloków danych o zmiennej długości. Blok składa się z nagłówka,
w którym zapisana jest liczba określająca długość bloku przesyłanych danych, segmentu
zawierającego dane oraz sekwencji końca bloku zawierającej sumę kontrolną przesyłanych
danych, służącą do detekcji błędów. Bity wchodzące w skład bloku wysyłane są kolejno
zgodnie z taktami zegara, bez bitów określających początek i koniec poszczególnych słów.
Transmisja synchroniczna jest szybsza od asynchronicznej transmisji start-stopowej, jednak
ze względu na bardziej złożoną realizację sprzętową rzadko stosuje się ją w systemach
pomiarowych.
Zastosowanie interfejsu RS-232 w warunkach przemysłowych jest ograniczone.
Przyczyną tego jest brak dostatecznych zabezpieczeń przed zakłóceniami oraz ograniczona
szybkość i odległość transmisji. Ograniczenia te spowodowały powstanie nowych
standardów transmisji szeregowej. Najbardziej popularnym z nich stał się opracowany
w 1983 roku standard RS-485. Najważniejsze cechy tego standardu to możliwość
dołączenia do 32 odbiorników i nadajników oraz zwiększenie prędkości transmisji do
10 Mb/s przy maksymalnej odległości 1200 m.
5.4.2. Interfejs GPIB
Standard GPIB (ang. General Purpose Interface Bus) jest obecnie najpopularniejszym
standardem interfejsu umożliwiającym sprzęganie aparatury kontrolno-pomiarowej
i informatycznej w system pomiarowy. Standard został opracowany w 1975 na bazie
opracowanego na początku lat siedemdziesiątych przez firmę Hewlett-Packard interfejsu
HPIB (ang. Hewlett Packard Interface Bus).
Urządzenia w standardzie GPIB dołączone są równolegle do wspólnej magistrali.
Dzięki temu system jest otwarty i elastyczny strukturalnie, gdyż w prosty sposób można
dołączyć do niego nowe urządzenia. Przesyłanie przez magistralę informacji w postaci
bajtów odbywa się asynchronicznie, ze zwrotnym potwierdzeniem odbioru. Do magistrali
można dołączyć jednocześnie do 15 urządzeń. Długość kabla między dwoma sąsiednimi
przyrządami nie powinna przekraczać 2 m, zaś całkowita długość wszystkich kabli 20 m.
Przez magistralę można przesyłać dane z szybkością do 1000 kB/s.
Struktura systemu w standardzie GPIB przedstawiona jest na rys. 5.10. Magistrala
składa się z 16 linii sygnałowych: 8 linii danych, 3 linii synchronizacji i 5 linii sterowania.
10
Magistrala
GPIB
komputer PC
Kontroler
Nadawca
Odbiorca
zasilacz,
drukarka
Odbiorca
licznik,
termometr
multimetr,
oscyloskop
Linie danych
DIO1-DIO8
Linie sterowania
IFC
REN
ATN
SRQ
EOI
Nadawca
Nadawca
Odbiorca
Linie synchronizacji
DAV,
NRFD
NDAC
Rys. 5.10. Architektura systemu pomiarowego z magistralą GPIB
Osiem linii danych służy do szeregowego przesyłania bajtów. Transmisja się odbywa
w sposób asynchroniczny, następny bajt pojawia się na liniach danych DIO1-DIO8 po
potwierdzeniu odbioru poprzedniego bajtu. W zależności od stanu linii ATN, po liniach
DIO przesyła się dane pomiarowe (wyniki pomiarów, dane programujące przyrządy itp.)
lub instrukcje organizujące pracę systemu (rozkazy, adresy). Informację po liniach DIO
przesyła się w kodzie ISO-7, którego 7 bitów informacyjnych uzupełnia się bitem
parzystości.
Grupa 5 linii sterowania służy do przesyłania komunikatów sterujących bezpośrednio
interfejsami przyrządów systemu pomiarowego.
Stan zera na linii ATN (ang. Attention – uwaga) sygnalizuje, że na liniach DIO znajdują
się dane. Jedynka oznacza, że przez linie danych przesyłane są adresy lub rozkazy
wieloliniowe.
Linia IFC (ang. Interface Clear – zerowanie interfejsu) służy do wprowadzenia
wszystkich przyłączonych do magistrali urządzeń w określony stan początkowy.
Linia REN (ang. Remote Enable – sterowanie zdalne) służy do przełączania przyrządów
na zdalne sterowanie, dokonywane z magistrali GPIB.
Linia SRQ (ang. Service Request – żądanie obsługi) sygnalizuje kontrolerowi, że jedno
lub więcej urządzeń przyłączonych do magistrali żąda obsługi, np. w celu przesłania
wyniku pomiaru.
Linia EOI (ang. End or Identify – koniec lub identyfikacja) w trybie przesyłania danych
sygnalizuje bajt kończący transmisję natomiast w trybie przesyłania instrukcji sygnalizuje,
że kontroler dokonuje sprawdzenia, które z przyłączonych urządzeń żądało obsługi.
Grupa trzech linii synchronizacji umożliwia asynchroniczne przesyłanie informacji
ze zwrotnym potwierdzeniem odbioru.
Linia DAV (ang. Data Valid – dane ważne) służy nadajnikowi do poinformowania, że
na liniach DIO jest nowy bajt danych.
Linia NRFD (ang. Not Ready for DATA – nie gotowy na dane) podaje informację, że nie
wszystkie urządzenia są gotowe do odbioru danych. Przesłanie danych może rozpocząć się
gdy wszystkie urządzenia wytypowane jako odbiorniki zgłoszą swoją gotowość.
11
Za pomocą linii NDAC (ang. Not Data Accepted – dane nie przyjęte) nadajnik
otrzymuje informację, że nie wszystkie urządzenia przyjęły dane.
Urządzenie dołączone do magistrali GPIB można podzielić na cztery grupy:
- odbiorcy - mogą jedynie odbierać dane (np. zasilacz programowany, komutator,
drukarka),
- nadawcy – mogą jedynie wysyłać dane (np. licznik, termometr),
- nadawcy/odbiorcy – mogą wysyłać lub odbierać dane (np. multimetr, oscyloskop
cyfrowy),
- kontroler – jednostka sterująca, która może również spełniać rolę nadawcy lub
odbiorcy (np. komputer).
Głównym zadaniem magistrali GPIB jest przesłanie informacji pomiędzy dwoma lub
więcej urządzeniami. Przed rozpoczęciem przesłania kontroler wyznacza, przez wysłanie
odpowiednich adresów, jedno urządzenie jako nadawcę oraz jedno lub więcej urządzeń
jako odbiorców. Adresy wszystkich urządzeń ustala użytkownik w czasie podłączania ich
do magistrali interfejsu. Każde urządzenie musi mieć ustawiony inny 5 bitowy adres.
Proces wymiany informacji przedstawiony jest na rys. 5.11. Rozpoczyna się on od
wysłania przez komputer sygnału REN a następnie sygnału ATN, o poziomie zależnym od
tego, czy przesyłane będą dane czy rozkazy.
DIO
1÷8
Bajt informacyjny
Bajt informacyjny
t
DAV
Dane nieważne
Dane nieważne
Dane ważne
Dane ważne
NRFD
Niektóre Wszystkie
gotowe gotowe
t
Niektóre Wszystkie
gotowe gotowe
Żaden nie jest gotowy
NDAC
Dane nieważne
Żaden nie jest gotowy
Niektóre Wszystkie
potwierdziły potwierdziły
t
Niektóre Wszystkie
potwierdziły potwierdziły
Żaden nie potwierdził
t
Rys. 5.11. Procedura wymiany informacji nadawcy z kilkoma odbiorcami na magistrali GPIB
Nadawca umieszcza pierwszy bajt na liniach danych, a odbiorcy zostają kolejno
przygotowani do odbioru. Pojawienie się stanu wysokiego na linii NRFD (stan wysoki na
linii NRFD występuje wtedy, kiedy wszystkie urządzenia są gotowe do odbioru) powoduje,
że nadajnik ustawia niski stan na linii DAV, sygnalizując że dane są aktualne (dane ważne).
W chwili, gdy najszybsze urządzenie odbierze dane, spowoduje ono zmianę stanu linii
NRFD na niski (żeby uzyskać niski stan na linii NRFD wystarczy, że choć jedno
z urządzeń chce taki stan wymusić). Jednocześnie urządzenie to potwierdza odbiór,
zaprzestając wymuszania przez siebie niskiego stanu na linii NDAC. Gdy wszystkie
urządzenia zakończą pobieranie danych i zaprzestaną na linii NDAC wymuszać stan niski,
linia NDAC zmieni swój stan na wysoki.
W odpowiedzi na wysoki stan na linii NDAC nadawca ustawia stan wysoki linii DAV,
sygnalizując że dane na magistrali są już nieważne. Odbiorniki potwierdzają przyjęcie tego
12
sygnału, wymuszając stan niski na linii NDAC w celu przygotowania nowego cyklu
transmisji. W ten sposób kończy się przesyłanie jednego bajtu. Analogicznie wygląda
przesyłanie kolejnych bajtów.
Zastosowanie procedury transmisji asynchronicznej z obustronnym potwierdzeniem
(tzw. „hanshake” trzyliniowy) pozwala na elastyczne dopasowanie szybkości systemu
pomiarowego do właściwości urządzeń biorących w transmisji. Jeżeli w transmisji biorą
udział szybkie urządzenia transmisja może być wykonywana z dużą szybkością, natomiast
przy udziale wolniejszych urządzeń transmisja jest odpowiednio zwalniana, w oczekiwaniu
na potwierdzenie przyjęcia danych przez wolniejsze urządzenia. Alternatywne rozwiązanie,
z prostszą transmisją synchroniczną o jednej stałej prędkości, spowodowało by drastyczne
obniżenie prędkości transmisji, dlatego że musiała by ona być dostosowana do
najwolniejszego urządzenia w systemie, nawet gdyby to urządzenie było używane rzadko
np. drukarka.
W 1992 roku firma National Instruments wprowadziła rozwiązanie pozwalające na
zwiększenie szybkości transmisji danych na magistrali GPIB do 8 MB/s. Polega ono na
wykorzystaniu uproszczonego protokołu przyspieszonego cyklu transmisji nazwanego
HS488 (ang. high-speed hanshake protocol). Protokół ten dotyczy tylko transmisji danych
(tzn. tekstów programujących, wyników pomiarów), natomiast transmisja instrukcji
odbywa się z wykorzystaniem pełnego cyklu transmisji.
5.4.3. Interfejs VXI
Standard interfejsu VXI (ang. VMEbus Eextension for Instrumentation) został
opracowany w 1987. Jest on rozwinięciem standardu VME (ang. Versamodule Eurocard
Bus).
Standard łączy w sobie zalety interfejsu GPIB (elastyczność, programowanie urządzeń
za pomocą kodu ASCII) z szybkością standardu VME korzystającego z modułowych kart
pomiarowych o znormalizowanych wymiarach.
Standard VXI rozpowszechnił się i obecnie wiele firm produkuje zgodne z nim moduły,
przy czym moduły produkowane przez różne firmy mogą pracować w jednej kasecie.
Podstawowe zalety standardu VXI to duża szybkość i dokładna synchronizacja czasowa
pracy poszczególnych modułów.
Standard VXI specyfikuje cztery rozmiary modułów: A (10x16 cm), B (23x16cm),
C (23x34 cm), D (36x34 cm). Wybór rozmiaru modułu uzależniony jest od stopnia
komplikacji realizowanych przez niego funkcji.
Moduły umieszczone są w obudowie (ang. mainframe) zwanej kasetą. Każdy
z modułów łączy się z kasetą przy pomocy od jednego do trzech 96 stykowych złącz: P1,
P2, P3, przy czym w złącze P1 wyposażone są wszystkie moduły, natomiast złącze P2
mogą posiadać moduły B, C, D a złącze P3 moduły D.
Złącze P1 zawiera sygnały określone w standardzie VME: 16 bitową szynę danych,
linie handshake’u, linie kontroli oraz linie przerwań. Złącze P2 zawiera rozszerzenie
magistrali danych, linie magistrali lokalnej, linie sygnałów wyzwalających oraz zegar
10 MHz. Złącze P3 obejmuje rozszerzenie magistrali lokalnej, dodatkowe linie
wyzwalające, zegar 100 MHz, linie połączenia w gwiazdę.
Poszczególne linie magistrali VXI można podzielić ze względu na pełnione funkcje.
Szyna danych pozwala na szybkie asynchroniczne przesyłanie danych pomiędzy modułami
w postaci słów 8, 16 lub 32 bitowych.
Szyna arbitrażu transmisji danych jest używana, gdy w systemie może istnieć więcej niż
jedna jednostka centralna. Służy ona do zagwarantowania, że w danej chwili tylko jedna
jednostka centralna wykorzystuje do nadawania szynę danych.
13
Szyna przerwań priorytetowych pozwala na identyfikację urządzenia wymagającego
obsługi i zgłaszającego przerwanie.
Szyna wyzwalania służy do wyzwalania, taktowania oraz wysyłania potwierdzeń
transmisji.
Szyna sumy analogowej zapewnia każdemu modułowi wysłanie i odebranie
analogowego sygnału prądowego.
Szyna impulsów zegarowych dostarcza synchronicznie do wszystkich modułów sygnały
zegarowe i umożliwia koordynację działania między modułami systemu.
Szyna identyfikacji modułu pozwala na automatyczne ustalenie miejsca w kasecie
w którym zainstalowany jest moduł.
Szyna lokalna umożliwia bezpośrednie połączenie między danym modułem a modułem
znajdującym się po jego prawej oraz lewej stronie, co pozwala na ograniczenie liczby
połączeń kablowych między płytami czołowymi modułów.
W kasecie standardu VXI można umieścić do 12 modułów, nie licząc modułu 0.
Moduł 0 umieszczony na pierwszym stanowisku z lewej strony, zapewnia systemowi
wykonywanie podstawowych funkcji: funkcji sterownika VME, sterowania adresowaniem
modułów, dostarczania sygnałów zegarowych.
Sterowanie systemem pomiarowym z magistralą VXI, ze względu na znaczną
elastyczność standardu, jest możliwe na wiele sposobów.
Jednym ze sposobów jest wykorzystanie komputera zewnętrznego, wyposażonego
w interfejs GPIB, połączonego z kasetą VXI za pomocą konwertera GPIB/VXI. Konwerter
taki umieszcza się w miejscu modułu 0, z lewej strony kasety. Rozwiązanie to pozwala na
wykorzystanie z jednej strony prostoty programowania w standardzie GPIB, a z drugiej
wszystkich zalet magistrali VXI.
Innym sposobem jest sterowanie systemem za pomocą modułowej wersji komputera
zainstalowanego bezpośrednio w kasecie VXI, tzw. kontrolera zagnieżdżonego (ang.
Embedded Controller). Zaletą takiego rozwiązania są krótkie czasy transmisji sygnałów
w systemie natomiast wadą duża cena.
5.5. Magistrale komputerowe w zastosowaniach pomiarowych
Oprócz opisanych powyżej interfejsów w systemach pomiarowych wykorzystuje się
również inne magistrale opracowane początkowo do innych zastosowań niż pomiarowe. Są
to uniwersalna magistrala szeregowa USB, magistrala szeregowa IEEE-1394 Fire Wire
oraz interfejs równoległy Centronics. Obecnie produkowane są, m.in. przez firmę National
Instruments, urządzenia wyposażone w wymienione magistrale, które mogą być użyte do
konstrukcji systemów pomiarowych.
5.5.1. Uniwersalna magistrala szeregowa USB
Uniwersalna magistrala szeregowa USB (ang. Universal Serial Bus)
została
wprowadzona do komputerów w 1995 roku. Charakteryzuje się ona łatwą instalacją
dołączonych do niej urządzeń – dołączone do portu USB urządzenia mogą być z niego
zasilane oraz można je łączyć i rozłączać w trakcie pracy komputera. Magistrala USB
wykorzystuje kabel czterożyłowy, w którym są dwa przewody sygnałowe i dwa przewody
zasilania. Maksymalna szybkość transmisji to 12 Mb/s, a w wersji USB 2.0 480 Mb/s.
Zaletą magistrali jest łatwa rozbudowa – przy pomocy koncentratorów magistrala pozwala
na dołączenie do 127 urządzeń. Obecnie produkuje się wyposażone w magistralę USB takie
14
przyrządy jak moduły akwizycji sygnałów pomiarowych, moduł oscyloskopu, moduły
rejestracji temperatury czy też moduły wejść/wyjść cyfrowych.
5.5.2. Magistrala szeregowa IEEE-1394 Fire Wire
Magistrala szeregowa Fire Wire została wprowadzona przez firmę Apple Computer
w 1986 r. Magistrala służy do łączenia zarówno urządzeń domowych (cyfrowe kamery,
aparaty fotograficzne, magnetowidy) jak i urządzeń przemysłowych, w tym przyrządów
pomiarowych. Podobnie jak magistrala USB magistrala Fire Wire jest czteroprzewodowa
(dwa przewody sygnałowe i dwa przewody zasilana) oraz umożliwia dołączanie
i odłączanie urządzeń w trakcie pracy bez konieczności wyłączania zasilania. Maksymalna
liczba urządzeń dołączonych do magistrali wynosi 64. Szybkość transmisji wynosi do
3200 Mb/s dla magistrali w wersji IEEE1394b.
5.5.3. Interfejs równoległy Centronics
Interfejs równoległy Centronics wykorzystywany jest w komputerze do dołączenia
drukarki. Można go również wykorzystać do dołączenia urządzeń pomiarowych. Posiada
on 8 bitową równoległa szynę danych oraz kilka linii sterujących, które można również
wykorzystać do przesyłania danych. Maksymalna szybkość przesyłanych danych
w najnowszym trybie pracy interfejsu EPP (ang. Enhanced Parallel Port) i ECP (ang.
Enhanced Capability Port) wynosi do 500 kB/s.
5.6. Transmisja danych pomiarowych na duże odległości
W wielu zastosowaniach konieczna jest budowa rozproszonych systemów
pomiarowych, w których dane pomiarowe pochodzą z wielu oddalonych od siebie węzłów
pomiarowych. Systemy takie można zbudować korzystając z łączności przewodowej
w postaci sieci Ethernet lub bezprzewodowej transmisji danych.
5.6.1. Łączenie sprzętu pomiarowego przez sieć Ethernet
Ethernet jest rodzajem sieci lokalnej, opracowanej w 1976 roku. Ethernet umożliwia
przesyłanie danych przez skrętkę, kabel współosiowy lub światłowód, z prędkością
10 Mb/s, a w wersji Fast Ethernet 100 Mb/s. Połączenie przyrządów pomiarowych
z wykorzystaniem Ethernetu pozwala na budowę rozproszonych systemów pomiarowych
o dużym zasięgu.
Przyrządy pomiarowych wyposażone w jeden ze standardowych interfejsów
pomiarowych łączy się z siecią Ethernet z wykorzystaniem odpowiednich modułów
pośredniczących. Dostępne są moduły GPIB/Ethernet, RS-232/Ethernet/, RS-485/Ethernet.
W przypadku komputera z układem akwizycji sygnałów pomiarowych można go
dołączyć do sieci Ethernet wyposażając w niedrogą kartę sieciową.
Coraz częściej produkuje się również przyrządy pomiarowe przygotowane do
bezpośredniego dołączenia do sieci Ethernet, np. moduły FieldPoint firmy National
Instruments.
15
5.6.2. Systemy pomiarowe z wykorzystaniem radiomodemów
W przypadku gdy obiekt pomiaru znajduje się w trudnodostępnym miejscu, lub budowa
linii przewodowej jest kosztowna, stosuje się w systemach pomiarowych przesyłanie
danych przez wydzielone kanały radiowe. Łączność realizuje się z wykorzystaniem
radiomodemów. Zadaniem radiomodemów jest emitowanie i odbieranie sygnałów
radiowych, przetwarzanie danych cyfrowych na emitowane sygnały oraz przetwarzanie
odebranych sygnałów na dane cyfrowe. Radiomodemy wyposażone są najczęściej
w interfejs RS-232 lub RS-485, przez który łączą się z przyrządami pomiarowymi.
Systemy radiomodemowe umożliwiają transmisję danych na odległość od ok. 100 m do
100 km. Radiomodemy wykorzystują wybrane pasma częstotliwości dla radiokomunikacji
przemysłowej i wymagają zezwolenia Państwowej Agencji Radiokomunikacji (PAR).
Zezwolenie nie jest wymagane dla nadajników o mocy mniejszej od 20 mW w paśmie
800MHz.
5.6.3. Systemy pomiarowe z wykorzystaniem telefonii komórkowej GSM
Gdy obiekt pomiaru lub odbiorca wyników znajdują się w ruchu np. w poruszającym
się pojeździe lub gdy odległość między obiektem pomiaru i odbiorcą wyników jest bardzo
duża można zastosować w systemie pomiarowym cyfrowy system telefonii ruchomej GSM
(ang. Global System of Mobile Communications). Funkcje bezprzewodowego terminala
oprócz telefonu komórkowego może również realizować komputer typu laptop z kartą
PCMCIA pełniącą funkcję telefonu komórkowego. Przesyłanie danych można realizować
z wykorzystaniem jednej z kilku metod:
1. Transmisja bez zestawiania połączeń SMS.
Transmisja umożliwia realizację usługi SMS (ang. Short Message Service), czyli
przesyłania krótkich komunikatów alfanumerycznych o długości do 160 znaków do
innych stacji ruchomych. Wszystkie komunikaty SMS przesyłane są poprzez centralę
SMSC (ang. SMS Sevice Center). Komunikat SMS, zapamiętany w centrali SMSC,
przesyłany jest do adresata po uzyskaniu z nim połączenia. Zaletą takiej organizacji jest
pewność, że dane dotrą do adresata, wadą nieokreślony czas dotarcia danych.
2. Transmisja z komutacją łączy (w skrócie transmisja komutowana).
- SDT (ang. Switched Data Transfer) - standardowa transmisja danych realizowana
w jednym kanale rozmównym, szybkość transmisji 9.6 kb/s.
- HSCD (ang. High Speed Circuits Switched Data) – szybka, wielokanałowa transmisja
danych realizowana przez jeden do czterech kanałów rozmównych, z szybkością od
14.4 kb/s przy wykorzystaniu jednego kanału rozmównego do 57.6 kb/s
z wykorzystaniem czterech kanałów.
3. Transmisja z komutacją pakietów (w skrócie transmisja pakietowa).
Umożliwia realizację usługi GPRS (ang. General Packed Radio Service), czyli
nadawania i odbioru pakietów danych z adresem internetowym w nagłówku.
Maksymalna prędkość transmisji danych wynosi 115.2 kb/s. Zaletą transmisji GPRS
jest koszt proporcjonalny do liczby przesyłanych danych , a nie do czasu połączenia.
Przyjmując jako kryterium zdolność do transmisji danych cyfrowych można podzielić
terminale bezprzewodowe na 3 grupy:
MT10 – terminal może transmitować tylko mowę i komunikaty SMS wpisywane
z klawiatury, nie nadaje się do transmisji danych pomiarowych,
16
MT1 – terminal jest wyposażony w interfejs sieci ISDN (ang. Integrated Services
Digital Network), dzięki któremu po wyposażeniu w tzw. adapter teminalowy
może być połączony do komputera i transmitować dane cyfrowe,
MT2 – terminal nadaje się do transmisji danych cyfrowych po połączeniu
z komputerem poprzez interfejs RS-232 lub łącze na promieniowanie
podczerwone IrDA.
Struktura przykładowego systemu pomiarowego z wykorzystaniem telefonii GSM
przedstawiona jest na rys. 5.12.
Przyrząd
pomiarowy
Komputer
(kontroler
systemu)
Terminal
bezprzewodowy
1
Sieć
GSM
Terminal
bezprzewodowy
2
Komputer
bezprzewodowy kanał
komunikacyjny
Rys. 5.12. Struktura systemu pomiarowego z wykorzystaniem telefonii GSM
Urządzenia pomiarowe dołączone są do komputera poprzez magistralę lokalną
np. RS232, RS-485, GPIB, VXI. Komputer steruje urządzeniami pomiarowymi, odbiera
wyniki pomiarów, przetwarza je i wysyła do telefonu komórkowego przewodowo
np. poprzez ISDN, RS-232 lub bezprzewodowo np. przez IrDA czy Bluetooth.
Z telefonu dane są przesyłane bezprzewodowo poprzez sieć GSM do stacji bazowej
i centrali GSM, a następnie do telefonu komórkowego, do którego dołączony jest komputer
odbiorcy danych. Zamiast terminala bezprzewodowego 2 można zastosować telefon
stacjonarny z modemem, połączony z systemem GSM przez stacjonarną centralę
telefoniczną.
Dane pomiarowe można również przekazywać z użyciem protokołu WAP (ang.
Wireless Application Protocol). Wykorzystanie protokołu WAP niesie jednak z sobą
ograniczenia – dane pomiarowe przedstawiane są na niewielkim wyświetlaczu telefonu
komórkowego, a mała szybkość transmisji wydłuża czas odbioru. Protokół WAP można
stosować do niewielkiej liczby danych pomiarowych, np. do odbioru danych
metrologicznych takich jak temperatura, wilgotność, ciśnienie atmosferyczne.
5.7. Bezprzewodowa transmisja danych na małe odległości
W przypadku, gdy wykorzystuje się komputer przenośny wygodne jest zastąpienie
połączeń przewodowych do transmisji danych transmisją bezprzewodową na małe
odległości. Do tego typu transmisji wykorzystuje się promieniowanie podczerwone lub
łącze radiowe małej mocy.
5.7.1. Transmisja przez łącze na promieniowanie podczerwone IrDA
W łączu na promieniowanie podczerwone następuje zamiana sygnału elektrycznego na
optyczny w diodzie nadawczej, a następnie zmodulowana wiązka promieniowania
optycznego zmieniana jest na sygnał elektryczny w fotoelemencie odbiorczym.
W łączności na promieniowanie podczerwone wykorzystywany jest standard IrDA,
umożliwiający wymianę danych między dwoma urządzeniami na odległość do 3 m
(typowo 1m) z maksymalną szybkością transmisji do 16 Mb/s.
17
Standard IrDA może być stosowany do bezprzewodowej transmisji danych w małych
systemach pomiarowych, składających się z komputera (najczęściej typu laptop) i jednego
urządzenia pomiarowego. Zaletą takiej konfiguracji jest jej duża prostota, wadą –
konieczność wzajemnej widoczności obu sprzęganych urządzeń oraz bardzo mały zasięg
transmisji. Liczba urządzeń pomiarowych ze złączem IrDA jest niewielka, istnieje jednak
możliwość połączenia do komputera dowolnego urządzenia pomiarowego z interfejsem
RS-232 poprzez konwerter RS-232/IrDA.
5.7.2. Transmisja przez łącze radiowe małej mocy Bluetooth
Do bezprzewodowej transmisji na małe odległości zamiast łącza na podczerwień można
wykorzystać łącze radiowe małej mocy. W rozwiązaniu tym nie jest konieczna wzajemna
widzialność urządzeń transmitujących dane pomiarowe a także może być wykorzystywany
więcej niż jeden odbiornik. Do tego typu łączności został opracowany w 1998 r. standard
Bluetooth. Początkowym przeznaczeniem standardu była wymiana danych między
telefonem komórkowym a jego akcesoriami, jednak wkrótce standard zdobył dużą
popularność w różnych obszarach zastosowań, w tym w systemach pomiarowych.
Standard Bluetooth wykorzystuje pasmo 2.4 GHz, zwane ISM (ang. Industry, Science
and Medicine). Transmisja danych może się odbywać z prędkością do 1Mb/s na odległość
do 10 m, lub po zastosowaniu dodatkowego wzmacniacza do 100 m.
Każde z urządzeń Bluetooth ma własny 32 bitowy adres, pozwalający na jednoznaczną
identyfikację urządzenia. Połączenia są realizowane w trybie master – slave. Urządzenia
Bluetooth mogą być połączone w grupy tzw. picosieci (ang. piconet). Grupę taką tworzy
maksymalnie siedem urządzeń pracujących jako urządzenia podrzędne (slave) oraz jedno
urządzenie pełniące rolę nadrzędną (master).
Standard Bluetooth umożliwia dwa typy transmisji danych – asynchroniczną
i synchroniczną. Transmisja asynchroniczna pozwala na asymetryczne połączenie
z maksymalną szybkością 721 kb/s w jednym kierunku i 57.6 kb/s w kanale zwrotnym,
a także połączenie symetryczne z przepustowością 432.6 kb/s w obu kierunkach.
Transmisja synchroniczna odbywa się w trzech równoległych kanałach, każdy o szybkości
transmisji 57.6 kb/s.
Standard Bluetooth jest w ciągłym rozwoju. Bezpośrednie jego wykorzystanie
w urządzeniach pomiarowych ograniczone jest stosunkowo niewielkim zasięgiem, jednak
może być on wykorzystany jako jeden z interfejsów sprzęgających część pomiarową
systemu z komputerem.