Виртуальные измерительные приборы реферат

Виртуальные измерительные приборы и системы

Глава 18 ВИРТУАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ Атамалян

Общие сведения

Использование компьютерных технологий в контрольно-измерительной аппаратуре позволило создать «виртуальные» измерительные приборы, представляющие собой синтез одной или двух плат сбора данных, персонального компьютера и программного обеспечения.

Открытая архитектура компьютера дает возможность устанавливать платы первичного сбора данных непосредственно в слоты расширения компьютера. Это позволяет компактно разместить на плате расширения процессорной шины ПК такие устройства первичного сбора данных, как АЦП, ЦАП, платы цифрового ввода/вывода. Платы расширения выполняются и в виде самостоятельного блока, подключаемого к порту компьютера.

Многофункциональные и специализированные платы расширения, добавленные к компьютеру и оснащенные необходимым программным обеспечением (LabVIEW, LabWindows, PcLab 2000), дают возможность экспериментатору создавать свои виртуальные приборы. Эти приборы обладают всеми вычислительными возможностями компьютера, могут выполнять любые задачи по сбору и обработке данных, их представлению и хранению, выполняют масштабирование, статистический анализ, временной и спектральный анализ. Представление данных и результатов анализа также реализуется при помощи компьютера с использованием компьютерной графики, позволяющей создавать с помощью программных средств передние панели прибора. Это новый класс быстродействующих готовых к работе программируемых приборов.

На базе компьютера может быть реализован целый комплекс виртуальных приборов: цифровых осциллографов, мультиметров, генераторов сигналов произвольной формы, анализаторов спектров, логических анализаторов состояний для тестирования цифровых интегральных схем и др.

Достоинства измерительных приборов на основе компьютера:

— неограниченное фиксирование данных;

— неограниченные возможности отображения;

— встроенные мультимедийные инструкции оператора по процедуре измерения (текст, изображение и др. );

— настраиваемый пользовательский интерфейс;

— доступ в Интернет для обмена данными;

— связь с корпоративными базами данных и информационными системами;

— автоматическое создание отчетов;

Приборы на основе ПК по функциональным возможностям эквивалентны традиционным измерительным приборам.

Разработанная программная панель, похожая на панель измерительного прибора, системные программы расширяют и облегчают практическое взаимодействие с прибором. При этом пользователь может компоновать множество передних панелей конкретного прибора, каждая из которых соответствует его определенной функции и может динамически заменяться другой с помощью простой программной инструкции или оператора. Можно использовать даже несколько виртуальных приборов, одновременно отображая их передние панели в нескольких окнах.

В табл. 18.1 приводятся сравнительные характеристики контрольно-измерительной аппаратуры, выполненной по традиционной и виртуальной технологиям.

Традиционная технология, определяемая изготовителем Виртуальная технология, определяемая пользователем
Функционально-специфична, отдельно расположенные приборы с ограниченной способностью подключения Прикладная система с возможностью подключения к компьютеру, сетям, периферийным устройствам
Основное – аппаратные средства Основное – программное обеспечение
Закрытая система с фиксированными функциональными возможностями Открытая система с гибкими функциональными возможностями, компьютерная техника
Медленно развивающаяся технология (цикл жизни 5–10 лет) Быстро развивающаяся технология (цикл жизни 1–2 года)
Высокие затраты на разработку и эксплуатацию Программное обеспечение минимизирует затраты на разработку и эксплуатацию, дает возможность многократного использования

Концепцию виртуальных приборов предложила американская фирма National Instruments, которая на сегодняшний день предлагает ряд интересных разработок. Виртуальные приборы весьма перспективны и имеют большое будущее.

Плата сбора данных

Характеристики виртуальных приборов, такие, как динамический и частотный диапазоны обрабатываемых сигналов, погрешность измерения, чувствительность, разрешение, определяются параметрами платы. Как правило, одна плата выполняет множество функций, включая аналоговый ввод-вывод, аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование, цифровой ввод-вывод, операции счетчика и таймера. При использовании нескольких плат возможно выполнение расширенных функций таймера и системы синхронизации для сложных измерений.

Стандартные платы сбора данных (DAQData acquisition board), устанавливаемые в слоты компьютера, содержат от 8 до 64 каналов ввода-вывода как аналоговых, так и цифровых. Обычно частоты выборки данных, обеспечиваемые вставными платами ввода-вывода, лежат в диапазоне от 1 до 500 кГц. Кроме того, можно сохранять данные на диске в реальном времени. Если скорость сбора информации не очень высока в реальном времени, то можно выполнять и анализ отображения.

Вставляемая плата непосредственно подключается к шине компьютера, за каждым блоком платы закрепляется определенный адрес, входящий в адресное пространство памяти компьютера. Таким образом, плата сбора данных после установки в разъем компьютерной шины (ISA, PСI) становится частью компьютера – как аппаратно, так и программно. Данные измерений передаются с плат сбора данных по максимально эффективному пути – через локальную шину ПК. Поэтому ПК может управлять встроенной платой с максимально возможной скоростью. Обмен данными может происходить параллельно на высоких скоростях не только под управлением процессора, но и с помощью прямого доступа к памяти (DMADirect memory access).

Для присоединения устройств ввода-вывода к ПК применяются следующие стандартные внешние интерфейсы: универсальные последовательные RS-232, GPIB, USB, IEEE-1394. Выбор типа интерфейса зависит от задачи измерений. Типовая структурная схема платы сбора данных представлена на рис. 18.1.

Рис. 18. 1. Типовая структурная схема платы сбора данных

Блок аналогового ввода обеспечивает согласование внешнего измеряемого сигнала с входным напряжением АЦП, преобразование этого сигнала в цифровой код и передачу кода на внутреннюю цифровую шину устройства сбора данных. Блок состоит из коммутатора с 16 входными каналами (или 8 дифференциальными входами), усилителя с программируемым коэффициентом усиления. Выбор номеров канала задается программно.

АЦП служит для преобразования аналогового сигнала в цифровой код и передачи на внутреннюю шину данных. Наиболее распространенными являются АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания).

Для запоминания входного сигнала на время преобразования служит устройство выборки и хранения, часто встроенное в АЦП.

Диапазон входного напряжения АЦП и его разрядность определяют значение ступени квантования, от которого зависит погрешность квантования напряжения. Например, для 12-разрядного АЦП с рабочим диапазоном напряжения ±5 В ступень квантования составляет 1/2 12 = 10/4096 = 2,4 мВ. Другой характеристикой АЦП является минимальный шаг дискретизации (например, 1 мкс), который зависит от времени преобразования микросхемой АЦП аналогового напряжения в цифровой код.

Запуск АЦП может происходить программно путем записи определенного цифрового кода по адресу АЦП или по сигналам таймера.

Блок аналогового вывода состоит из буферного регистра выходного кода и цифроаналогового преобразователя, преобразующего цифровой код, выданный процессором компьютера, в аналоговый сигнал. Программирование аналогового выхода дает возможность создавать генераторы сигналов различной формы.

Таймер – программируемый генератор тактовых импульсов – формирует импульсы запуска АЦП. Таймер работает как счетчик импульсов с регулируемым коэффициентом деления частоты, который после отсчета определенного числа импульсов вырабатывает сигнал запуска АЦП. Шаг дискретизации АЦП устанавливается программно путем записи цифрового кода в регистр управления таймером. Таймер имеет три канала, два из которых управляют работой АЦП, а третий доступен пользователю (аппаратно и программно). Этот канал можно использовать для счета внешних импульсов, поступающих в канал таймера, измерения их частоты и генерирования прямоугольных импульсов с регулируемой частотой.

Блок цифрового ввода-вывода служит для формирования сигналов управления различными внешними устройствами. Обмен данными с внешними цифровыми устройствами осуществляется путем чтения байта из буфера вывода и записи байта в буфер ввода. Цифровой выход имеет повышенную нагрузочную способность для подключения внешних устройств.

Блок сопряжения обеспечивает согласование между внутренней шиной устройства ввода-вывода и системной магистралью ПК. В его состав входят буферные цифровые регистры, дешифраторы адреса, ОЗУ, формирователи запросов на прерывание и прямой доступ к памяти ПК. Буферные регистры предназначены для электрического согласования двух магистралей: электрической развязки и передачи сигналов в определенном направлении. Дешифратор адреса служит для распознавания адресов своих блоков среди адресов на магистрали ПК. Оперативное запоминающее устройство в блоке сопряжения применяется для промежуточного накопления данных, когда требуется высокая скорость приема данных. Процесс обмена данными между блоком сопряжения и ПК обеспечивается формирователем запросов на прерывание и прямой доступ к памяти.

Программирование устройств ввода-вывода заключается в записи команд, по которым считываются и записываются цифровые коды по определенным адресам в заданной последовательности. Результатом выполнения программ может быть запись данных в файл в семиразрядном коде ASCII или выработка определенных команд, подаваемых на выходной разъем платы для управления внешними устройствами. В зависимости от измерительной задачи могут быть использованы различные готовые программы.

При использовании платы для измерений в качестве многоканального цифрового осциллографа сигналы записываются в файлы на жестком диске ПК, для обработки записанных сигналов используются специальные программы LabVIEW, Data Analysis and Digital Signal Processing (DADiSP). Программа DADiSP дает возможность проводить математическую обработку мгновенных значений сигнала с помощью математических операций (сложения, вычитания, умножения, деления), математических функций (sin, cos, exp), дифференцирования и интегрирования. Программа обработки сигнала является многооконной (8¸10). Окна служат для загрузки исследуемых сигналов и отображения преобразованных сигналов, прошедших математическую обработку. Наличие стабилизированного источника опорного напряжения, встроенного в АЦП, позволяют программным путем откалибровать окно ПК в В/дел. и Время/дел.

Реферат: Новые технологии измерений на основе виртуальных измерительных систем

1.Введение.Новые технологии измерений и МО на основе Виртуальных Измерительных Систем (ВИС). 2

1.1.Программные компоненты ВИС. 3

2. Что представляет из себя LabVIEW. 4

3.4.Пиктограммы и Разъёмы входа/выхода. 10

Буквально за последние 5 лет на западе произошла революция в создании и разработке измерительных средств. Это в первую очередь связано с активным развитием компьютерных технологий применительно к технологиям измерений.

Основными достижениями революции в измерительных технологиях стали:

· Так называемые DAQ — boards ( Data Acquisition Boards — Платы сбор данных) — измерительные модули, встраиваемые непосредственно в компьютер(ПК).

· Специализированные измерительные интегрированные программные оболочки для сбора, обработки и визуального представления измерительной информации(например — LabVIEW).

Под Виртуальными Измерительными Системами понимается средство измерений, построенные на базе персональных компьютеров (ПК), встраиваемых в компьютер многофункциональных и многоканальных АЦ — плат, внешних программно-управляемых модулей предварительной обработки сигналов и приборов и специализированных измерительных интегрированных программных оболочек для сбора, обработки и визуального представления измерительной информации.

В отличие от традиционных средств, их функции, пользовательский интерфейс, алгоритмы сбора и обработки информации определяются пользователем а не производителем. Эти средства называются Виртуальными по 2 м основным причинам:

* С помощью одного и того же аппаратного и программного обеспечения можно сконструировать систему, выполняющую совершенно различные функции и имеющую различный пользовательский интерфейс.

* Управление такими системами, как правило, осуществляется через графический пользовательский интерфейс (Graphics User Interface — GUI) при помощи технологии Drag-and-Drop(“Перенёс и положил”) с использованием манипулирования мышью через виртуальные элементы управления, расположенные на виртуальных приборных панелях.

Такие системы компонуются с помощью Графического Программирования .

ВИС строятся на следующих типах аппаратного обеспечения:

1. Платы сбора данных (встраиваемые). Характерно наличие нескольких входов: 2-24,выходов:2-4, счётчиков/таймеров:1-2.Такие платы имеют программно управляемые коэффициенты усиления по различным каналам, частоте, напряжению и т.д.

· Процессоры сбора данных: DAP — boards — те же платы но со встроенными :

· Собственным процессором (Intel 80486, Intel Pentium)

2. Также сигнальные процессоры.

3. Внешние программно-управляемые модули предварительной обработки сигналов — SCXI-модули (обмен данными по шинам ISA, EISA).

4. Законченные программно-управляемые приборы, работающие в различных интерфейсах:

5. Кабели, терминалы и другие сетевое и вспомогательное оборудование.

1. Сетевые суперсреды — для функционирования на распределённых ИС.

2. Интегрированные измерительные оболочки. Их основные функции — сбор, обработка и визуальное представление информации. Существуют оболочки большой, средней и малой мощности.

3. Проблемно-ориентированные оболочки — для решения ограниченного круга измерительных задач.

4. Прикладные проблемно-ориентированные пакеты. Для расширения функциональных возможностей программных оболочек в конкретной предметной области.

5. Инструментальные пакеты — для расширения функциональных возможности виртуальных инструментов в той же среде.

6. Библиотеки драйверов. Часто поставляются в виде расширения обычных языков программирования.

7. Экспертные системы и БД.

8. Интерактивные проблемно-решающие средства( например — Math Lab).

9. Демонстрационно-обучающие программы.

10.Автоматизированные проектировщики ИС(DAQ Designer).

Необходимо отметить, что большим недостатком ВИС является то, что эти системы не оценивают погрешности. Проблема метрологического сопровождения не решена на сегодняшний день, но может быть реализована при помощи программных средств.

В данном реферате мы для понимания принципа построения ВИС более подробно рассмотрим инструментальный пакет LabVIEW фирмы National Instruments.

LabVIEW — прикладная программа разработки пользовательских приложений, очень схожая с языками C или БЕЙСИК, или National Instruments LabWindows/CVI. Однако, LabVIEW отличается от этих прикладных программ в одном важном отношении. Другие системы программирования используют текстово — ориентированные языки, для создания строк исходного кода программ, в то время как LabVIEW использует графический язык программирования, под кодовым названием «G», для создания программ в форме блок-схемы.

LabVIEW, подобно C или БЕЙСИКУ, является универсальной системой программирования с мощными библиотеками функций для различных задач программирования. LabVIEW включает в себя библиотеки инструментов для:

· обмен данными с устройства по GPIB (Многофункциональный Интерфейс фирмы HP) ,

· обмен данными с устройства по стандарту RS-232,

· хранения обработанных данных на носителях различного типа.

LabVIEW также включает стандартные средства автоматического проектирования приложений, такие, что Вы можете устанавливать контрольные точки, представлять в виде стендовой модели выполнение Вашей программы, так, чтобы видеть, как данные проходят через программу шаг за шагом, чтобы упростить понимание происходящих процессов.

LabVIEW — универсальная система программирования, но также включает библиотеки функций и средств проектирования, разработанных определенно для сбора данных и инструментов управления и обработки данных. Программы LabVIEW названы виртуальными приборами (VIs), потому что их действия и внешний вид может имитировать реальные приборы. В тоже время, VIs подобны функциям стандартных языков программирования. Однако, VIs имеют ряд преимуществ перед функциям стандартных языков программирования:

· просты для конструирования измерительных модулей и взаимодействия с оператором,

· Внутренняя структура VIs является для пользователя “чёрным ящиком” с известными входами и выходами, что упрощает применение VIs и обеспечивает автоматическую совместимость различных VIs. Однако в этом можно обнаружить существенный недостаток. Из за того, что неизвестна внутренняя структура VIs, то не известны и погрешности, возникающие внутри VIs. Соответственно, в случае если погрешности не документированы их приходится принимать равными нулю.

VI состоит из интерактивного интерфейса пользователя, диаграммы прохождения данных, которая служит исходным текстом, и пиктограммы соединения (входы и выходы), которые позволяют VI быть вызванными из VIs более высокого уровня.

Более определенно, проектируемый VI структурирован следующим образом:

· Интерактивный интерфейс пользователя VI назван Передней Панелью , потому что он моделирует панель реального прибора. Передняя панель может содержать кнопки, переключатели, индикаторы, диаграммы, графики, и другие средства отображения и управления. Вы вводите данные, используя мышь и клавиатуру (имитируя действия с реальной передней панелью ) , и затем просматриваете результаты на экране компьютера.

· VI получает команды от блок-схемы,(состоящей из VIs более низкого уровня и примитивов), которую Вы создаете в языке визуального проектирования “G”. Блок-схема — это иллюстрированный алгоритм действий VI, одновременно являющийся исходным текстом VI.

· Пиктограммы соединений VI и связи между ними работают подобно разъёмам и соединяющей шине в реальных приборах, и необходимы для того, чтобы VIs могли обмениваться данными друг с другом. Пиктограммы соединений и связи между ними позволяют Вам использовать свои VIs как модули в других VIs.

При наличии всех этих свойствами, LabVIEW однозначно является средством визуального модульного проектирования. Вы разбиваете свою прикладную алгоритм на ряд субалгоритмов, которые Вы также можете разбить ещё раз, до тех пор, пока сложный прикладной алгоритм не превратиться в ряд простых подзадач. Вы формируете VI, чтобы выполнить каждую подзадачу, а затем объединять эти VIs на другой блок-схеме, чтобы выполнить глобальную задачу. В заключение, ваш основной VI содержит совокупность субVIs, которые являются совокупностями функций LabVIEW.

Отладка алгоритма намного облегчается тем, что Вы можете выполнять каждый субVI отдельно от кроме остальной части прикладной задачи. Кроме того, многие субVIs низкого уровня часто выполняют типовые действия, общие для различных прикладных задач, так, что Вы можете разработать специализированный набор субVIs хорошо подходящий для нужных вам задач.

Интерфейс пользователя VI подобен интерфейсу пользователя реального прибора. Передняя панель VI может выглядеть примерно так, как на рис.1:

Виртуальные измерительные приборы реферат

Рисунок 1. Возможный вариант передней панели VI.

Передняя панель VI — прежде всего комбинация средств управления и индикаторов. Средства управления моделируют реальные устройства ввода данных и обеспечивают их поступление в блок-схему VI. Индикаторы , моделируют реальные устройства вывода, которые отображают данные, полученные на выходе блок-схемы VI.

Вы добавляете средства управления и индикаторы на переднюю панель, выбирая их из т.н. “всплывающей палитры средств управления”(из списка имеющихся в наличии компонент), показанной на рис.2:

Виртуальные измерительные приборы реферат

палитра компонент LabVIEW»

Вы можете изменять размер, форму, и позицию переключателей или индикаторов. Кроме того, каждый переключатель или индикатор имеет всплывающее меню, которое Вы можете использовать, чтобы изменить различные свойства или выбрать различные параметры редактируемого объекта.

Окно диаграммы содержит блок-схему VI, которая является графическим исходным текстом VI для LabVIEW. Вы создаете блок-схему путем объединения вместе объектов, которые выдают или принимают данные, выполняют необходимые функции, и управляют процессом выполнения задачи.

Виртуальные измерительные приборы реферат

Рисунок 3.Блок-схема и часть передней панели VI сложения и вычитания двух чисел.

На рис .3. приведены передняя панель и блок-схема простого VI, который вычисляет сумму и разность между двумя числами. На блок-схеме приведены базисные объекты, необходимые для решения задачи — узлы, выходы элементов управления и набора исходных данных, входы индикаторов, и провода.

Когда Вы помещаете элемент управления и набора исходных данных, или индикатор на переднюю панель, LabVIEW помещает соответствующий ему пиктограмму входа/выхода в блок-схему. Вы не можете удалить пиктограмму входа/выхода, которая принадлежит элементу управления или индикатору. Пиктограмма исчезнет сама тогда, когда Вы удалите элемент управления или индикатор.

Функции Add(Добавить) и Subtract(Уменьшить) также имеют пиктограммы входа/выхода. Их можно воспринимать как порты(разъёмы) выхода и входа. Данные, которые Вы вводите в элементах управления на передней панели (в данном случае это “a” и “b”) передаются через пиктограммы входа/выхода в блок-схему. Затем данные поступают в функции Add и Subtract. Когда функции Add и Subtract завершают свои внутренние вычисления, они выдают обработанные данные в свои пиктограммы выхода. Данные поступают на пиктограммы входа у индикаторов и повторно выводятся на переднюю панель.

Узлы — это выполнимые элементы программы. Они аналогичны инструкциям, операторам, функциям, и подпрограммам в стандартных языках программирования. Функции Add и Subtract являются одним и тем же типом узла. LabVIEW имеет мощную библиотеку функций для математических вычислений, сравнений, преобразований, Ввода/вывода, и других действий. Другой тип узлов — структура. Структуры — это графические представления циклов и операторов выбора традиционных языков программирования, которые повторяют блоки исходного текста или выполняют их в зависимости от условия. LabVIEW также имеет специальные узлы для компоновки с внешним текстово-основанным кодом и для обработки текстово-основанных формул.

Провода — линии данных между источником и приемником. Вы не можете присоединить пиктограмму выхода к другой пиктограмме выхода, или пиктограмму входа к пиктограмме входа. Вы имеете возможность присоединять один источник к нескольким приемникам. Каждый провод имеет различный вид или цвет, в зависимости от типа данных, которые передаются по этому проводу. Предыдущий пример показывает вид провода для числового скалярного значения — тонкая, сплошная линия.

Принцип, который управляет выполнением программы LabVIEW, назван Принципом Передачи Данных :

· Узел выполняется только тогда, когда все на все его входы поступили данные;

· Узел выдаёт данные на все выходы, только тогда, когда заканчивает выполняться заложенный в нем алгоритм;

· Данные передаются от источника к приёмнику без задержки.

Этот принцип заметно отличается от методов выполнения стандартных программ, в которых команды выполняются в той последовательности, в который они написаны.

Когда пиктограмма VI “A” помещена в диаграмму VI “B”, то VI “A” становится субVI, (в LabVIEW аналог подпрограммы). Элементы управления и индикаторы субVI получают и возвращают данные из/в VIs, которые произвели их вызов .

Разъём входа/выхода — набор пиктограмм, через который происходит присоединение VI к элементам управления или индикаторам. Пиктограмма — это иллюстрированное представление алгоритма VI, или текстовое описание этого VI.

Виртуальные измерительные приборы реферат

Рисунок 4.Пример пиктограммы VI.

Каждый VI имеет заданную по умолчанию пиктограмму, которая отображается в области “Окна Пиктограммы ” в верхнем правом углу “Окна блок-схемы ” и “Окна передней панели ”. Такая пиктограмма приведена на рис.4.:

Каждый VI также имеет разъем входа/выхода, который можно найти выбрав, “Show Connector ” в области окна пиктограммы на передней панели. Когда Вы определяете разъём входа/выхода впервые, LabVIEW предлагает Вам образец такого разъёма. Вы можете выбрать необходимое вам число входов и выходов в разъёме .

В заключении стоит упомянуть о том, что ВИС являются подклассом так называемых Интеллектуальных Измерительных Систем(ИИС). Ниже приведена таблица с перечислением характерных для ИИС и ВИС признаков и возможностей:

Возможность восприятия и активного использования априорной и текущей информации об измеряемом объекте в процессе измерения величины.

Возможность выполнения предварительной идентификации объекта, процесса или величины с целью выбора адекватной измерительной процедуры и соответствующих аппаратных и программных средств.

Предварительное автоматическое планирование измерительного эксперимента путём оптимизации заданных показателей качества результатов измерений при заданных ограничениях.

Возможность автотестирования, самокалибровки и метрологического автосопровождения результатов измерений, т.е. оценки их погрешности в реальном масштабе времени с учётом реализованного алгоритма измерений

Возможность параметрической адаптации выбранного измерительного алгоритма к условиям внешней и внутренней ситуации.

Способность к самообучению.

Наличие интеллектуального пользовательского интерфейса между системой и оператором.

Возможность сжатия информации, содержащейся в результатах измерений и представление её пользователю в компактном и наглядном виде. Возможно также принятие некоторых решений.

Источник

Название: Новые технологии измерений на основе виртуальных измерительных систем
Раздел: Рефераты по информатике, программированию
Тип: реферат Добавлен 15:22:41 04 октября 2005 Похожие работы
Просмотров: 373 Комментариев: 23 Оценило: 4 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно Скачать