Компьютерно-измерительные системы
В настоящее время сформировалось новое направление в метрологии и измерительной технике — компьютерно-измерительные системы (КИС) и их разновидность, или направление развития — виртуальные (виртуальный — кажущийся) измерительные приборы (виртуальные приборы). В компьютерно-измерительную систему обязательно входит компьютер, работающий в режиме реального масштаба времени или, как теперь принято говорить, в режиме on-line.
В последние годы персональные компьютеры используются не только как вычислительные средства, но и в качестве универсальных измерительных приборов. Компьютерно-измерительная система на базе персонального компьютера позволяет заменить стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и др.) системой виртуальных приборов. При этом ряд приборов могут быть активизированы (воспроизведены) на одном персональном компьютере одновременно. К отличительным особенностям и преимуществам КИС по сравнению с микропроцессорными приборами относятся:
Oобширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, доступных для оператора, позволяющих решать широкий круг прикладных задач измерения (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т.д.);
Oвозможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным (например, Интернет) компьютерным сетям;
Oвысокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;
Oвозможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости;
Oвозможность составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;
Oвозможность оперативного использования, различных устройств документирования результатов измерений.
Рассмотрим структурную схему КИС. В самом общем случае КИС может быть построена с последовательной или параллельной архитектурой.
В компьютерно-измерительную систему с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) входят части системы, преобразующие анализируемые сигналы, которые обрабатывают в последовательном режиме, поэтому вся соответствующая электроника размещается на слотах компьютера. Достоинства такой архитектуры построения КИС очевидны — благодаря использованию принципа разделения обработки по времени стоимость системы невелика.
В компьютерно-измерительной системе с параллельной архитектурой содержится ряд параллельных каналов измерения, и каждый канал имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т.е. объединения сигналов). Посредством такого принципа построения КИС могут производить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В этой системе преобразование сигналов выполняется локально в месте расположения источника исследуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме.
Обобщенная структурная схема КИС, отражающая как последовательную, так и параллельную архитектуру построения, представлена на (рис. 13.2). Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляется с помощью внутренней шины персонального компьютера, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, принтер), так и измерительная схема, состоящая из коммутатора, АЦП и блока образцовых программно управляемых мер напряжения и частоты.
С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы. Интерфейсный модуль ИМ подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Коммутатор обеспечивает подачу аналоговых напряжений с внешних датчиков на узлы системы.
Достаточно простые схемы КИС могут быть размещены на одной плате персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе коммутируются необходимые измерительные элементы, т.е. меняется архитектура построения системы.
Одним из элементов КИС является блок образцовых программно управляемых мер напряжения и частоты. В качестве встроенных образцовых мер напряжения в КИС чаще всего применяются стабилитроны, температурный коэффициент напряжения которых составляет около 2•10?5. К наиболее эффективному способу стабилизации опорного напряжения относится термостатирование блока стабилитронов. Термостат поддерживает температуру элементов около 30°C со стабильностью не ниже 0,1°C.
Недостатком такой схемы являются достаточно длительный прогрев термостата (до 30мин), а также большие скачки температуры при включении термостата. Температурные перепады ускоряют процесс старения стабилитронов, а следовательно, снижают их долговременную стабильность. В настоящее время в КИС имеется возможность учитывать температурную нестабильность элементов программными методами.
1На какие виды подразделяют ГИС по структурному построению?
2Что дает использование микропроцессоров в измерительной технике?
3Из каких частей состоит измерительный прибор на базе микропроцессора?
4Какие существуют способы построения структурных схем КИС?
5Как реализуется учет температурной нестабильности в КИС?
Статьи к прочтению:
Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology
Похожие статьи:
Диапазон применения микропроцессорной техники сейчас очень широк, требования к микропроцессорным системам предъявляются самые разные. Поэтому…
Классификация История операционных систем уже насчитывает более полувека. За это время было разработано огромное количество разнообразных операционных…
Компьютерные измерительные системы.
В настоящее время сформировались новое направление в метрологии и радиоизмерительной технике – компьютерно-измерительные системы (КИС) – и их разновидности, или направление развития, – виртуальные измерительные приборы. КИС обязательно включает в себя компьютер, работающий в режиме реального масштаба времени – on-line.
Персональные компьютеры используются не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. КИС на основе персонального компьютера заменяют стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и пр.) системой виртуальных приборов. Причем ряд этих приборов может быть активизирован (воспроизведен) на одном персональном компьютере одновременно.
К отличительным особенностям и основным преимуществам КИС по сравнению с микропроцессорными приборами относятся:
• обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, доступных для оператора, позволяющий решать широкий круг прикладных задач измерений (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т.д.);
• возможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям (например, сети Интернет);
• высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;
• возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости;
• возможность составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;
• возможность оперативного использования различных устройств документирования результатов измерений.
Структурная схема КИС.В самом общем случае КИС может быть построена двумя способами: с последовательной и параллельной архитектурой.
В КИС с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому вся соответствующая электроника размещается на слотах компьютера. Достоинства такой архитектуры построения КИС очевидны: благодаря использованию принципа разделения обработки по времени стоимость системы невелика.
В КИС с параллельной архитектурой содержится ряд параллельных каналов измерения, каждый из которых имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов, и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т.е. объединения сигналов). Подобный принцип построения КИС позволяет проводить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника исследуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме.
На рисунке 25.1 показана обобщенная структурная схема компьютерно-измерительной системы, отражающая как последовательную, так и параллельную архитектуру построения.
Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляется с помощью внутренней шины персонального компьютера, к которой подключены как его внешние устройства, так и измерительная схема, состоящая из коммутатора АЦП и блока образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты.
Рисунок 25.1 – Обобщенная структурная схема компьютерно-измерительной системы
С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы, интерфейсный модуль (ИМ) подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Контроллер устройства обеспечивает подачу аналоговых сигналов с внешних датчиков на узлы системы.
Достаточно простые узлы КИС можно разместить на одной плате персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе коммутируются необходимые измерительные элементы.
Компьютерные измерительные приборы особенности их программного обеспечения
Программное обеспечение любого виртуального измерительного прибора должно иметь развитый графический интерфейс. Практика показывает, что для учебных виртуальных измерительных приборов удобнее создавать относительно небольшие программы, ориентированные на решение узкоспециальных практических задач. В этом случае пользователю программы предоставляется минимально необходимый вариант автоматизированного управления измерительной системой, что существенно облегчает его работу с ней: сокращает время подготовки прибора к работе, настройка системы не отвлекает от более важного процесса осмысления результатов измерений.
Развитие технологий вычислительных средств позволяет в настоящее время осуществлять построение программных комплексов измерения и анализа временных параметров сигналов на базе практически любого компьютера. Для работы компьютерного измерителя необходимо программное обеспечение, позволяющее как обрабатывать сигналы, так и управлять оборудованием в режиме реального времени. Раньше для решения задач такого типа достаточно хорошо подходили сейчас уже устаревшие однозадачные операционные системы (например, MS-DOS).
Рис. 1.5.1. Структура информационных потоков при работе с программой для компьютерного измерителя
Программа, необходимая исследователю для работы с виртуальным измерительным прибором, включает следующие части, имеющие различное функциональное назначение: 1) блок, обеспечивающий связь с измерителем; 2) управляющий блок; 3) визуализирующий блок (рис. 1.5.1). Стрелками на рисунке обозначены направления информационных потоков.
При решении наших измерительных задач, как правило, нет необходимости в получении максимально быстрого машинного кода, поэтому можно использовать языки программирования высокого уровня, доступные для понимания обычному школьнику. Более важной в программе для учебного компьютерного измерителя является визуализация характеристик изучаемых физических явлений и процессов. Современные многозадачные операционные системы семейства Windows предоставляют для этих целей пользователю удобный и понятный ему графический интерфейс.
Задача разработки программного обеспечения с необходимым быстродействием выполнения измерений физических величин, обеспечения пользователя необходимым набором инструментов, позволяющим производить анализ и обработку результатов измерений в режиме реального времени, остается актуальной и в настоящее время. При этом нужно обеспечить совместную работу программного обеспечения и дополнительного аппаратного устройства, также нужно скомпоновать модули программы в один пакет, обладающий максимальным удобством для пользователя.
Данилов О. Е. Программное обеспечение цифрового вольтметра на базе микросхемы TLC1549 [Текст] / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2014. — №4. — С. 97-103.
Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте [Текст] / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 1. — С. 330-333.
Данилов О. Е. Роль информационно-коммуникационных технологий в современном процессе обучения [Текст] / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 12. — С. 448-451.
Данилов О. Е. Виртуальный манометр для учебных физических опытов [Текст] / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2014. — № 14. — С. 27-30.
Данилов О. Е. Виртуальный измеритель расстояния для учебных физических опытов [Текст] / О. Е. Данилов // Педагогическое мастерство: материалы IV междунар. науч. конф. (г. Москва, февраль 2014 г.). — М.: Буки-Веди, 2014. — С. 293-295.
Данилов О. Е. Компьютерная презентация результатов проектной деятельности учащегося [Текст] / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2014. — № 1. — С. 506-510.
Компьютерные измерительные системы (КИС)
В настоящее время сформировалось новое направление в метрологии и измерительной технике КИС и их разновидности, виртуальные измерительные приборы (ВИП). КИС включает в себя компьютер, работающий в режиме реального времени (в режиме on-line).
ПЭВМ используются не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. КИС на основе ПЭВМ заменяют стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и др.) системой виртуальных приборов. Причем ряд этих приборов может быть активизирован (воспроизведен) на одном ПЭВМ одновременно.
К отличительным особенностям и основным преимуществам КИС по сравнению с МП приборами относятся:
· возможность использования обширного фонда стандартных программ, позволяющих решать широкий круг прикладных задач измерений, исследования и обработки сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками;
· возможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям (например, по сети Internet);
· высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;
· возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости;
· возможность составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;
· возможность оперативного использования различных устройств, документирования результатов измерений.
В самом общем случае КИС может быть построена двумя способами: с последовательной и параллельной архитектурой.
В КИС с последовательной архитектурой (централизованные системы) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому вся соответствующая электроника размещается на слотах компьютера. Достоинства такой архитектуры построения КИС заключаются в том, что благодаря использованию принципа разделения обработки по времени стоимость системы не велика.
В КИС с параллельной архитектурой содержится ряд параллельных каналов измерения, каждый из которых имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования. Подобный принцип построения КИС позволяет проводить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника исследуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме.
Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляется с помощью внутренней шины ПЭВМ, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, принтер, плоттер), так и измерительная схема, состоящая из коммутатора и блока образцовых, программно-управляемых мер напряжения и частоты.
С помощью ЦАП вырабатываются управляющие аналоговые сигналы, интерфейсный модуль подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Контроллер устройства обеспечивает подачу аналоговых сигналов с внешних датчиков на узлы системы.
Достаточно простые узлы КИС могут быть размещены на одной плате ПЭВМ. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с решаемой задачей по установленной программе коммутируются необходимые измерительные элементы, т.е. меняется архитектура построения системы.
Одним из элементов КИС является блок образцовых программно-управляемых мер напряжения, частоты и др. В качестве встроенных образцовых мер напряжения в КИС чаще всего применяют стабилитроны с малым показателем температурного дрейфа.
В КИС предусмотрена возможность определения индивидуальных функций влияния температуры на различные параметры виртуального прибора: дрейф нуля, сопротивление переключателей, коэффициенты передачи различных структурных элементов. Непрерывный контроль температуры блоков позволяет автоматически корректировать возникшие погрешности измерений.
Одной из установившихся тенденций в области автоматизации измерений является внедрение в практику измерений виртуальных сред сбора и обработки информации. Это стало возможным благодаря интенсивному развитию современных компьютерных технологий. Виртуальные среды позволяют создавать программные модули обработки данных, т.е. виртуальные приборы, которые могут использоваться в практике измерений наравне с реальными.
Практическим воплощением концепции виртуального инструмента стала среда разработки программ labVIEW. Существенным отличием этой среды программирования от большинства существующих является использование в ней языка графического программирования. Кроме того, в labVIEW имеется большая библиотека процедур и функций, универсальных для большинства прикладных задач управления средствами измерений, сбора и обработки данных. В целом labVIEW вобрал в себя наиболее перспективные подходы и решения современной технологии автоматизации измерений.
Программы, созданные а среде labVIEW, имеют три основные составные части: переднюю панель; блок-диаграмму и пиктограмму.
Передняя (лицевая панель) виртуального инструмента может содержать графическое изображение кнопок, клавиш, регуляторов и других органов управления и индикации. Конструирование лицевой панели сводится к составлению картинки из различных индикаторов и управляющих элементов, находящихся в меню. Управление системой осуществляется путем изменения положений переключателей, поворота ручек управления и введения значений с клавиатуры.
Блок-диаграмма представляет собой графическое решение задачи. Она составляется на графическом языке программирования. Затем встроенный в labVIEW компилятор транслирует программу в машинный код. Функциональными блоками, выбираемыми из меню, могут являться блоки элементарных алгебраических операций, функции сбора и анализа данных, сетевые операции и др.
Пиктограмма является графическим представлением ВИП в блок-диаграмме. Пиктограмма позволяет свернуть ВИП в объект, который можно использовать в блок-диаграммах других ВИП в качестве функций.
Аппаратная составляющая ВИП, обеспечивающая ввод реальных сигналов измерительной информации, может реализоваться в виде встраиваемых в компьютер сменных плат или в виде внешних устройств.
Внешние устройства сбора данных и управления (УСДУ) начали разрабатывать и внедрять с появлением переносных портативных компьютеров. В таких устройствах преобразование сигнала в цифровую форму производится несколькими синхронизированными АЦП, реализованными в виде единой матрицы логических элементов. Такие устройства наиболее удобны для использования в полевых условиях.
Таким образом, набор аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компьютеру и образующие ВИ, можно рассматривать как основу компьютерных измерительных технологий (КИС). Взаимодействие между отдельными элементами системы в КИС осуществляется с использованием внутренней шины ПЭВМ, а стандартные измерительные приборы могут заменяться виртуальными.
Характерной особенностью КИС является их открытость. Так, при использовании среды программирования labVIEW имеется возможность создавать ВИ, работающие с реальным сигналом не только через плату сбора данных, но и с функционально-модульным интерфейсом. Для работы с таким интерфейсом используют приборные драйверы, т.е. программы, которые управляют отдельными приборами. labVIEW имеет свою библиотеку приборных драйверов, но это не исключает возможность создания любых других необходимых драйверов.