2. Оборудование и программное обеспечение сбора данных

В этой лекции рассматриваются аппаратные средства и программное обеспечение сбора данных

Темы

1. Оборудование сбора данных

2. Компоненты DAQ-устройства

3. Выбор подходящего оборудования сбора данных

4. Программное обеспечение сбора данных

5. Обзор NI-DAQmx VI

A. Оборудование сбора данных

Типичная система сбора данных состоит из трех типов оборудования – терминального блока, кабеля и устройства сбора данных (рис. 2-1). В этом разделе описываются каждый тип оборудования, затем рассматриваются компоненты DAQ-устройства и функции, которые ими выполняются. Вы также ознакомитесь с важными вопросами конфигурирования DAQ-устройства.

Рисунок 2-1. Типичная система сбора данных

1 – сигнал, 2 – терминальный блок, 3 – кабель, 4 – DAQ-устройство, 5 – компьютер.

После преобразования физической величины в измеряемый сигнал для измерения сигнала вам нужен терминальный блок, кабель, устройство DAQ и компьютер. Эта комбинация может превратить обычный компьютер в систему измерения и управления.

Терминальный блок и кабель

Терминальный блок служит для подключения сигналов. Он состоит из терминалов с винтовыми клеммами, подпружиненных терминалов или разъемов BNC для подключения источников сигналов, а также разъема для кабеля, соединяющего терминальный блок с DAQ-устройством.

Выбирая терминальный блок, вы должны учитывать два фактора – устройство и количество измеряемых сигналов. На рисунке 2-2 показан пример схемы расположения винтовых клемм.

Рисунок 2-2. Терминальный блок, кабель и схема расположения выводов

1 – сигнал, 2 – терминальный блок, 3 – кабель, 4 – 68-контактный разъем.

Терминальные блоки могут быть экранированными или неэкранированными. Экранированные терминальные блоки обеспечивают лучшую защиту от помех. Некоторые терминальные блоки имеют дополнительные возможности, например, встроенную схему компенсации холодного спая, необходимую для правильного измерения температуры с помощью термопары.

Кабель передает сигнал из терминального блока в DAQ-устройство. Кабели бывают с разъемами на 100, 68 и 50 контактов. Выбор конфигурации кабеля зависит от используемых терминального блока и DAQ-устройства. Как и терминальные блоки, кабели бывают экранированными и неэкранированными.

Обратитесь к разделу DAQ на сайте ni.com/products для получения дополнительной информации о типах терминальных блоков и кабелей.

Терминальный блок BNC-2120 с аксессуарами

На рисунке 2-3 показан терминальный блок BNC-2120, используемый в этом курсе.

Рисунок 2-3. Терминальный блок BNC-2120

1 – переключатель RES/BNC (AI 3), 2 – винтовые клеммы для измерения сопротивления, 3 – разъем для подключения термопары, 4 – датчик температуры, 5 – переключатель BNC/Temp. Ref. (AI 0), 6 – переключатель BNC/термопара (AI 1), 7 – BNC-разъемы аналогового ввода, 8 – переключатели FS/GS, 9 – BNC-разъемы аналогового вывода, 10 – переключатель выбора частотного диапазона, 11 – BNC-разъем синусоидального/треугольного сигнала, 12 – BNC-разъем ТТЛ сигнала прямоугольной формы, 13 – переключатель синусоидального/треугольного сигнала, 14 – регулятор частоты, 15 – регулятор амплитуды, 16 – винтовые клеммы цифрового ввода-вывода, 17 – светодиоды цифрового ввода-вывода, 18 - пользовательские винтовые клеммы, 19 – пользовательские BNC-разъемы, 20 – винтовые клеммы таймерного ввода-вывода, 21 – винтовые клеммы квадратурного энкодера, 22 – регулятор квадратурного энкодера, 23 – BNC-разъем таймерного ввода-вывода, 24 – светодиод питания

NI BNC-2120 – экранированный коннекторный блок с разъемами BNC. Вы можете использовать этот коннекторный блок с многофункциональными NI DAQ-устройствами серий X, M, E и S, а также устройствами аналогового вывода. BNC-2120 упрощает подключение аналоговых сигналов, некоторых цифровых сигналов и двух пользовательских сигналов к устройству сбора данных, экранированный корпус обеспечивает достоверность измерений.

BNC-2120 содержит генератор функций с переключателем для выбора диапазона частот сигнала, регуляторов частоты и амплитуды. Генератор функций может формировать синусоидальный или треугольный сигнал, а также ТТЛ-совместимый прямоугольный сигнал.

BNC-2120 содержит схему механического квадратурного энкодера, выдающего 96 импульсов на один оборот энкодера. Два выхода, PULSES и UP/DN, находятся на винтовых клеммах под регулятором квадратурного энкодера. На выход PULSES поступает последовательность импульсов, генерируемая при вращении оси энкодера. Один механический щелчок кодера вызывает формирование четырех импульсов. На выход UP/DN поступает низкий или высокий уровень сигнала, определяющий направление вращения. Вращению против часовой стрелки соответствует низкий уровень сигнала UP/DN, по часовой стрелке – высокий.

DAQ-устройства

Типовые многофункциональные устройства сбора данных NI содержат четыре стандартных блока: аналогового ввода, аналогового вывода, цифрового ввода-вывода и счетчики.

National Instruments изготавливает также высокоскоростные цифровые устройства, для синхронизированного цифрового ввода-вывода, высокоскоростные устройства аналогового вывода для продвинутой генерации сигналов и устройства динамического сбора данных (DSA) для анализа быстро изменяющихся сигналов, например, сигналов вибраций или акустических. Обратитесь на сайт ni.com/modularinstruments для получения дополнительной информации.

Вы можете передать в компьютер сигнал, измеренный устройством сбора данных, по различным шинам. Например, вы можете использовать DAQ-устройство, подключаемое к шине PCI компьютера, DAQ-устройство, подключаемое к разъему PCMCIA ноутбука или DAQ-устройство, подключаемое к порту USB компьютера.

Если у вас нет устройства сбора данных, вы можете симулировать его в Measurement and Automation Explorer для полноценного тестирования вашей программы. Вы узнаете, как это сделать, в разделе Программное обеспечение сбора данных этой лекции.

Вы можете также использовать стандарт PXI/CompactPCI для создания портативной и надежной измерительной системы широкого назначения. Обратитесь по адресу ni.com/products для получения дополнительной информации о специальных типах устройств сбора данных.

B. Компоненты DAQ-устройства

На рисунке 2-4 показаны компоненты многофункциональных устройств ввода-вывода PCI, PCI Express, PXI или PXI Express.

Рисунок 2-4. Компоненты многофункционального DAQ-устройства

1 – интерфейс с системой ввода-вывода компьютера, 2 – разъем ввода-вывода, 3 – шина интеграции системы реального времени (RTSI)

Интерфейсы

Типичное DAQ-устройство, использующее шины PCI, PCI Express, PXI или PXI Express, имеет три интерфейса для приема и отправки сигналов: разъем ввода-вывода, схему сопряжения с вводом-выводом компьютера и шину интеграции системы реального времени (RTSI).

• Разъем ввода-вывода – место, через которое сигнал вводится в DAQ-устройство или выводится из него. Разъемы ввода-вывода бывают на 100, 68 или 50 контактов в зависимости от устройства. Один конец кабеля подключается к разъему ввода-вывода, а другой – к терминальному блоку. Вы можете найти схему расположения контактов в документации на DAQ-устройство.

• Интерфейс с системой ввода-вывода компьютера передает информацию между DAQ-устройством и компьютером. Схема интерфейса может отличаться в зависимости от протокола используемой шины. Например, шина PCI имеет соединительные контакты, вставляемые в слот PCI, а для подключения к USB необходим кабель.

• Шина RTSI использует и синхронизирует общие сигналы между несколькими DAQ-устройствами в одном компьютере. Например, если вы хотите, чтобы два устройства выполняли аналоговый ввод с одинаковой скоростью, вы сделать сигнал синхронизации по шине RTSI общим, чтобы его использовали оба устройства. Используйте для подключения устройств кабель RTSI, если только не работаете с платформой PXI. Объединительная панель шасси PXI, в которую вставляются устройства, выполняет функции встроенного кабеля RTSI для общих сигналов между модулями в шасси.

Блок аналогового ввода

Аналоговый входной сигнал с разъема ввода-вывода проходит через схему аналогового ввода, прежде чем поступит на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Схема аналогового ввода, показанная на рисунке 2-5, состоит из мультиплексора и инструментального усилителя.

Рисунок 2-5. Схема аналогового ввода

1 – схема аналогового ввода, 2 – мультиплексор, 3 – инструментальный усилитель.

• Мультиплексор – в каждый момент времени подключает один из нескольких входных каналов к инструментальному усилителю. При сборе данных с нескольких каналов мультиплексор по очереди подключает каждый из них к усилителю. Порядком подключения входных сигналов к усилителю управляет LabVIEW.

• Инструментальный усилитель – может усилить или ослабить принимаемый сигнал. Назначение усилителя – сделать так, чтобы сигнал как можно лучше соответствовал диапазону АЦП. Усилитель усиливает или ослабляет сигнал в соответствии с определенным коэффициентом усиления. Коэффициент усиления – это количество прикладываемого усиления. Например, при коэффициент усиления 2 сигнал увеличивается в два раза. При коэффициенте усиления 0.5 сигнал уменьшается в два раза, то есть ослабляется.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

АЦП – электронное устройство, преобразующее аналоговое напряжение в цифровой код, который для интерпретации вы можете послать в компьютер через с системой ввода-вывода компьютера. Схема аналогового ввода в сочетании с АЦП выполняет измерение уровня, формы или частоты входного аналогового сигнала. Вы можете использовать функции аналогового ввода DAQ-устройства в различных приложениях, начиная с тестирования источника питания и измерения параметров сердечного пульса до распознавани

я речи. АЦП показан на рисунке 2-6.

Рисунок 2-6. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

1 – АЦП, Level - уровень, Shape - форма, Frequency – частота

Блок аналогового вывода

Блок аналогового вывода использует цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП реализует процесс, обратный тому, что выполняет АЦП. ЦАП получает цифровой код, отправленный из компьютера через интерфейс ввода-вывода компьютера, и преобразует его в аналоговый сигнал, который поступает на выход через разъем ввода-вывода. ЦАП полезен для генерации сигналов постоянного напряжения (уровня), сигналов заданной частоты и формы. Вы можете использовать аналоговый вывод DAQ-устройства в различных приложениях, от управления системой при помощи пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора) до управления серводвигателями и генерации последовательности заданных частот для сирены или сигнала тревоги. ЦАП показан на рисунке 2-7.

Рисунок 2-7. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

1 – ЦАП, Level - уровень, Shape - форма, Frequency – частота.

Блок цифрового ввода-вывода

Блок цифрового ввода-вывода может выполнять как функции ввода, так и функции вывода. Типичное DAQ-устройство имеет несколько цифровых линий, которые могут принимать или генерировать цифровые сигналы с использованием программной или аппаратной синхронизации. Если DAQ –устройство не имеет выделенного цифрового сигнала синхронизации, то для выполнения аппаратного тактирования должен использоваться коррелированный цифровой ввод-вывод. Несколько цифровых линий на одном DAQ-устройстве могут быть синхронизированы и тактироваться встроенным или внешним генератором синхроимпульсов.

Вы можете использовать цифровой ввод-вывод DAQ-устройства в различных приложениях, от контроля изменений состояния переключателя до управления реле.

На рисунке 2-8 показана схема цифрового ввода-вывода.

Рисунок 2-8. Схема цифрового ввода-вывода

1 – схема цифрового ввода-вывода, State – состояние

Блок счетчиков

Счетчики принимают и генерируют цифровые сигналы. Встроенные синхронизирующие сигналы, называемые источниками импульсов опорной частоты (timebase), делают их идеальными для измерения частоты цифрового сигнала.

Вы можете использовать счетчики DAQ-устройства в различных приложениях, от измерения скорости вращения вала двигателя до управления шаговым двигателем, путем генерации последовательности импульсов с конкретной частотой. На рисунке 2-9 показана схема блока счетчиков.

Рисунок 2-9. Схема блока счетчиков

1 – схема счетчика, Rate – частота.

C. Выбор подходящего DAQ устройства

При выборе оборудования DAQ необходимо определить требования к приложению, от которых зависит:

• Шина DAQ-устройства

• Измеряемые сигналы

• Точность измерений

Требования к шине

В данном разделе рассматриваются доступные варианты шин и подчеркиваются соображения, которые необходимо иметь в виду при выборе шины для создаваемого измерительного приложения.

При выборе шины для приложения сбора данных необходимо ответить на пять вопросов.

Сколько данных будут передаваться по шине?

У всех шин персональных компьютеров есть ограничения на объем данных, которые они могут передавать за определенный интервал времени. Этот объем данных называется пропускной способностью шины, и часто оценивается в мегабайтах в секунду (МБ/с). Если в вашем приложении осуществляются измерения динамического сигнала, вы должны выбрать шину с достаточной пропускной способностью.

В зависимости от выбранной шины, общая пропускная способность может быть разделена между несколькими устройствами или является выделенной для конкретных устройств. Например, теоретическая пропускная способность шины PCI составляет 132 МБ/с и разделяется между всеми устройствами PCI в компьютере. Шины, предлагающие выделенную пропускную способность, например, PCI Express и PXI Express, обеспечивают максимальную пропускную способность каждому из устройств.

При измерении параметров сигналов вам требуется определенная частота дискретизации и разрешение в зависимости от того, насколько быстро изменяется сигнал. Вы можете рассчитать минимальную пропускную способность, умножив количество байтов в отсчете (округлив в большую сторону) на частоту дискретизации и на количество каналов.

Пропускная способность шины должна соответствовать скорости сбора данных. Важно отметить, что реальная пропускная способность системы будет меньше, чем теоретический предел полосы пропускания. Реальное значение пропускной способности зависит от количества устройств в системе и количества передаваемых по шине дополнительных служебных данных. Если вам нужно передавать много данных от большого количества каналов, пропускная способность может оказаться самым важным моментом при выборе шины для сбора данных.

Каковы требования к передаче элементарной порции данных ввода-вывода?

Приложения, в которых необходимы поточечные чтение и запись, часто зависят от возможности непосредственно и согласовано обновлять данные ввода-вывода. Требования поточечного ввода-вывода могут оказаться главными при выборе шины, т.к. определяются программной и аппаратной реализацией архитектуры шины

Задержка передачи данных по шине – способность шины реагировать на ввод-вывод. Это время задержки между вызовом функции драйвера и реально обновленными данными ввода-вывода. В зависимости от выбранной шины величина задержки может составлять от микросекунды и менее до нескольких миллисекунд.

Например, в системе ПИД-регулирования, задержка шины может непосредственно влиять на максимальную скорость выполнения цикла управления.

Еще одним важным фактором в приложениях с поточечным вводом-выводом является детерминизм – мера того, насколько согласовано во времени может выполняться ввод-вывод. Шины, у которых задержка обмена данными при вводе-выводе неизменна, более детерминированы, чем шины, у которых время реагирования на ввод-вывод непостоянна. Детерминизм важен для приложений управления, поскольку непосредственно влияет на надежность цикла управления, и многие управляющие алгоритмы разрабатываются в расчете на то, что управляющий цикл всегда выполняется с постоянной скоростью. Любое отклонение от ожидаемой скорости снижает общую эффективность и надежность системы управления. Поэтому при разработке системы управления с обратной связью следует избегать шин с большой задержкой и низким детерминизмом, например, USB.

Программная часть реализации обмена данными по шине играет большую роль в определении задержки и детерминизма шины. Шины и программные драйверы с поддержкой операционных систем реального времени обеспечивают наилучший детерминизм и, соответственно, наивысшую производительность. В целом, внутренние шины, например, PCI Express и PXI Express, лучше подходят для приложений поточечного ввода-вывода с малым значением задержки, чем внешние шины, такие, как USB или беспроводные.

Нужна ли синхронизация нескольких устройств?

Во многих измерительных системах требуется сложная синхронизация. Это может быть синхронизация сотен входных каналов или нескольких типов приборов. Для системы «стимул-реакция», например, может потребоваться, чтобы выходные каналы использовали общий тактирующий сигнал и общие сигналы запуска, чтобы обеспечивать коррелированные операции ввода-вывода и более качественного анализа результатов измерений. Синхронизация устройства сбора данных с разными шинами реализуется различными способами. Почти все DAQ-устройства NI предоставляют доступ к линиям программируемого функционального интерфейса (PFI), которые могут использоваться для маршрутизации тактирующих сигналов и сигналов запуска между разными устройствами, а также программную поддержку NI-DAQmx для легкой конфигурации этих линий. Однако некоторые шины обладают дополнительными встроенными линиями синхронизации и запуска для максимального облегчения синхронизации между несколькими устройствами. Устройства PCI и PCI Express предлагают шину интеграции системы реального времени (RTSI), по которой несколько плат в настольном компьютере могут соединяться кабелем непосредственно внутри корпуса. Это устраняет необходимость дополнительного подключения через разъем на лицевой панели и упрощает подключение ввода-вывода.

Наилучшие шины для синхронизации нескольких устройств – платформа PXI , включая PXI и PXI Express. Этот открытый стандарт был специально создан для высокоскоростной синхронизации и запуска и обладает набором различных опций для синхронизации модулей ввода-вывода в одном шасси, а также для синхронизации нескольких шасси.

Насколько портативной должна быть система?

Драматический переход на портативные компьютеры неоспорим, предоставляя инженерам и научным сотрудникам новые пути к новшествам в компьютеризированном сборе данных. Портативность – важная характеристика многих приложений, которая может быть основным фактором выбора типа шины.

Например, в бортовых (на движущихся объектах) приложениях предпочтительнее оборудование компактное и легко транспортируемое. Внешние шины, такие, как USB и Ethernet особенно хороши для портативных систем сбора данных, оборудование можно быстро установить и оно совместимо с ноутбуками.

USB-устройства особенно удобны, поскольку не требуют отдельного источника питания, т.к. питаются от порта USB компьютера. Использование беспроводной передачи данных - также хороший вариант, потому что измерительное оборудование становится портативным, а компьютер может оставаться стационарным.

Насколько далеко от моего компьютера выполняются измерения?

Расстояние между измерительными средствами и местом расположения компьютера радикально различаются от приложения к приложению. Для достижения наилучшей целостности сигнала и точности измерений, вы должны поместить оборудование сбора данных как можно ближе к источнику сигнала. Это может быть проблематичным для больших распределенных измерительных систем, примерами которых могут служить системы структурных испытаний конструкций или мониторинга окружающей среды. Использование длинных кабелей на мостовых сооружениях или в производственных помещениях дорого и может привести к увеличению помех.

Одно из решений этой проблемы предоставляют портативные компьютерные платформы, которые можно переместить поближе к источникам сигналов. Беспроводная технология устраняет все физические соединения между компьютером и средствами измерений, так что вы можете выполнять распределенные измерения, отправляя данные в центральный компьютер.

Таблица 2-1. Выбор правильной шины для измерительного приложения

Шина	Потоковая передача данных	Передача данных по точкам	Синхронизация нескольких устройств	Портативность	Распределенный ввод-вывод
PCI	132 Мб/c (общая)	Наилучшая	Лучше	Хорошая	Хороший
PCI Express	250 Мб/c (на канал)	Наилучшая	Лучше	Хорошая	Хороший
PXI	132 Мб/c (общая)	Наилучшая	Наилучшая	Лучше	Лучше
PXI Express	250 Мб/c (на канал)	Наилучшая	Наилучшая	Лучше	Лучше
USB	60 Мб/c	Лучше	Хорошая	Наилучшая	Лучше
Ethernet	12.5 Мб/c	Хорошая	Хорошая	Наилучшая	Наилучший
Беспроводная	6.75 Мб/c	Хорошая	Хорошая	Наилучшая	Наилучший
* Максимальные теоретические значения потоковой передачи данных, основанные на следующих спецификациях: PCI, PCI Express 1.0, PXI, PXI Express 1.0, USB 2.0, 100Mbps Ethernet и Wi-Fi 802.11g.

Что нужно знать о сигналах

Выбирайте для вашего приложения DAQ-устройство с подходящими количеством каналов, частотой дискретизации и входным диапазоном.

Шаг квантования по уровню (Code Width) – наименьшее изменения сигнала, которое может обнаружить DAQ-устройство. Выбирайте для вашего приложения DAQ-устройство с достаточно малым шагом квантования по уровню. Для расчета шага квантования по уровню вы должны знать разрешающую способность и входной диапазон устройства.

Разрешающая способность

Разрешающая способность АЦП - количество битов, используемых для представления аналогового сигнала. Разрешение DAQ-устройства аналогично делениям на линейке. Чем больше количество делений, тем точнее будут измерения. Чем выше разрешение DAQ-устройства, тем больше количество делений, на который разбивается диапазон АЦП, и, соответственно, тем меньше минимально обнаруживаемое изменение напряжения. 3-разрядный АЦП разделяет диапазон на 2³ или восемь делений. Значения бинарного или цифрового кода между 000 и 111 представляют все возможные деления. АЦП переводит каждое измеряемое значение аналогового сигнала в соответствующее цифровое.

На рисунке 2-10 показан синусоидальный сигнал с частотой 5 кГц, полученный с 3-разрядного АЦП. Цифровой сигнал неадекватно воспроизводит оригинал, потому что у преобразователя слишком мало цифровых делений для представления различных значений аналогового напряжений. Однако увеличение разрешения до 16 бит для увеличения количества цифровых делений АЦП с восьми (2³) до 65536 (2¹⁶) позволяет 16-битному АЦП получать очень точное представление аналогового сигнала.

Рисунок 2-10. Разрешение сигнала

Усиление и входной диапазон устройства

Усиление или ослабление сигнала может происходить до оцифровки сигнала для улучшения представления сигнала. Усиливая или ослабляя сигнал, вы можете эффективно подстроиться под входной диапазон АЦП, тем самым позволяя АЦП использовать как можно больше цифровых делений для представления сигнала.

Например, на рисунке 2-11 показан эффект усиления сигнала, изменяющегося в диапазоне от 0 до 5 В с использованием 3-разрядного АЦП с входным диапазоном от 0 до 10 В. Без усиления (коэффициент усиления = 1) АЦП использует для преобразования только 4 из восьми делений. Если усилить сигнал в два раза, АЦП будет использовать все восемь оцифрованных делений, и цифровое представление сигнала окажется более точным. Практически, допустимый входной диапазон становится 0 до 5 В, потому что любой сигнал больше 5 В при умножении на 2 даст на входе АЦП напряжение больше 10 В.

Рисунок 2-11. Сигнал с усилением

Gain – коэффициент усиления

Доступные коэффициенты усиления DAQ-устройства определяют доступные входные диапазоны. Среди распространенных входных диапазонов DAQ-устройств ±10, ±5, ±2, ±1, ±0.5, ± 0.2 и ±0.1 В.

Вы не задаете непосредственно коэффициенты усиления или входные диапазоны устройств. Вместо этого при конфигурировании виртуального канала вы программно задаете ожидаемые максимальное и минимальное значения. DAQ-устройство автоматически выберет входной диапазон на основании этих настроек.

Разрешающая способность и доступные входные диапазоны устройство определяют минимальное обнаруживаемое изменение входного напряжения. Это изменение напряжения представляет собой один наименьший значащий бит (LSB) цифрового значения и называется шагом квантования по уровню (Code Width).

Шаг квантования по уровню

Шаг квантования по уровню – наименьшее изменение сигнала, которое может обнаружить система, рассчитывается по следующей формуле:

Шаг квантования = Входной диапазон устройства / 2^{разрешение в битах}

Чем меньше шаг квантования, тем точнее устройство может представить сигнал. Формула подтверждает то, что вы уже узнали в процессе изучения разрешающей способности, диапазона и коэффициента усиления.

• Большее разрешение = меньше шаг квантования = более точное представление сигнала.

• Меньший входной диапазон устройства = меньше шаг квантования = более точное представление сигнала

Определение шага квантования важно при выборе DAQ-устройства. Например, 16-разрядное DAQ-устройство со входным диапазоном от –10 до 10 В может обнаружить изменение в 305 мкВ, а такое же устройство со входным диапазоном от -5 до 5 В – изменение в 153 мкВ.

Соображения о точности

Результат любого измерения – лишь приблизительная оценка действительного значения. В реальном мире невозможно точно измерить настоящее значение. Всегда существуют физические ограничения того, насколько хорошо мы может измерить какую-то величину. Этот предел называется точностью измерений.

Измерение точное, если интервал, сформированный полученным значением результата измерения и зоной неопределенности, содержит истинное значение измеряемой величины. Идеальный прибор всегда дает истинное значение; неопределенность равна нулю. Реальные приборы дают истинное значение со степенью неопределенности, заданной производителем прибора. Эта неопределенность может рассматриваться как максимальная погрешность, разрешенная спецификацией. Источники погрешности, влияющие на точность DAQ-устройства, включают погрешность смещения и погрешность масштаба усилителя и АЦП, а также помехи, присутствующие в системе.

Используйте техническую документацию на ваше DAQ-устройство для определения его точности. В спецификациях в таблице Абсолютная погрешность аналогового ввода указана абсолютная погрешность для каждого из входных диапазонов устройства и приведено уравнение, используемое для расчетов абсолютной погрешности.

D. Программное обеспечение DAQ

Последним компонентом DAQ-систем является программное обеспечение, как показано на рисунке 1-1, Обобщенная структура DAQ системы. Компьютер получает из DAQ-устройства необработанные данные. Разработанное вами приложение обрабатывает данные и представляет их в форме, которую может понять человек. ПО также управляет DAQ-системой, определяя, когда и из каких каналов собирать данные. Таким образом, ПО DAQ представляет собой единый программируемый интерфейс для программирования аналогового и цифрового ввода-вывода, а также таймерного ввода-вывода, выполняемых в сотнях многофункциональных устройств сбора данных.

Как правило, программное обеспечение DAQ состоит из драйверов и прикладного ПО. Драйверы уникальны для устройства или устройств определенного типа и содержат набор команд, которые принимает устройство. Прикладное ПО, например, LabVIEW, посылает драйверу команды, например, на измерения, и возвращает результаты измерений. Прикладное ПО также отображает и обрабатывает собранные данные.

Измерительные приборы NI включают программные драйверы NI-DAQmx – набор VI, которые можно использовать для конфигурирования, сбора данных и передачи данных измерительным устройствам.

Измерительная система состоит из следующих программных приложений:

• NI-DAQmx – ПО, которое управляет DAQ-устройством.

• Measurement & Automation Explorer (MAX) – прикладная программа для тестирования и конфигурирования оборудования

• LabVIEW – ПО, используемое для создания приложения, которое отправляет команды драйверу, собирает, обрабатывает и представляет данные.

NI-DAQmx

Программное обеспечение NI-DAQmx используется для связи с DAQ-устройствами National Instruments. NI-DAQmx обеспечивает пользовательский интерфейс и набор инструментов для программирования и настройки DAQ-устройства. NI-DAQmx обладает следующими преимуществами в сравнении с предыдущими версиями NI-DAQ:

• DAQ Assistant – интерактивный мастер для конфигурирования измерительных задач, каналов и шкал NI-DAQmx для использования в LabVIEW. Используйте DAQ Assistant для генерации кода NI-DAQmx с целью запуска задач и каналов или для развертывания кода NI-DAQmx в другой DAQ-системе. Используйте LabVIEW или MAX для запуска DAQ Assistant.

• Улучшенная производительность, включая более быстрый поточечный аналоговый ввод-вывод и многопоточность.

• Простой API для создания приложений DAQ с использованием меньшего числа функций и VI, чем в ранних версиях NI-DAQ.

• Расширенная функциональность в LabVIEW, включая узлы свойств (Property Nodes) для сбора данных и улучшенная поддержка типа данных waveform как для аналогового, так и для цифрового ввода-вывода.

• Аналогичные API и функциональность для ANSI C, LabWindows™/CVI™ и Measurement Studio, включая естественные интерфейсы .NET и C++.

Примечание: вы не можете использовать NI-DAQmx с DAQ-устройствами сторонних фирм. Свяжитесь с поставщиком устройств для получения драйвера для этого устройства.

NI-DAQmx совместим со следующими средами разработки программных приложений и языками программирования:

• National Instruments LabVIEW

• National Instruments LabWindows/CVI

• National Instruments Measurement Studio

• Microsoft Visual C/C++

• Microsoft C# .NET

• Microsoft Visual Basic .NET

• Microsoft Visual Basic 6.0

• ANSI C

Обратитесь к документу NI-DAQmx Readme для получения дополнительной информации о совместимости NI-DAQmx с конкретными версиями этих языков.

Рисунок 2-12. Драйверы NI-DAQmx

Measurement & Automation Explorer

Measurement & Automation Explorer (MAX) – приложение Windows, устанавливаемое в процессе инсталляции NI-DAQmx. Используйте MAX для конфигурирования и тестирования программного обеспечения и аппаратных средств NI, добавления новых каналов и интерфейсов, выполнения диагностики системы и просмотра подключенных к вашей системе приборов и устройств. Вы должны использовать MAX для настройки устройств при программировании с NI-DAQmx. Для запуска MAX щелкните дважды по иконке Measurement & Automation на рабочем столе. В MAX имеются следующие функциональные категории:

• Data Neighborhood

• Devices and Interfaces

• Historical Data

• Scales

• Software

• VI Logger Tasks

• IVI Drivers

• Remote Systems

Data Neighborhood

Категория Data Neighborhood (окрестности данных) предоставляет доступ к именованным ярлыкам для конфигурирования физических каналов в вашей системе, включая виртуальные каналы и задачи. Категория Data Neighborhood предоставляет также утилиты для тестирования и реконфигурирования виртуальных каналов. Кроме того, из Data Neighborhood вы можете получить доступ к DAQ Assistant для создания и конфигурирования настроек виртуальных каналов и задач.

DAQ Assistant – интерактивный мастер для создания и конфигурирования измерительных каналов и задач.

• Channel – канал NI-DAQmx ставит в соответствие конфигурационные параметры, такие, как шкалы и входные пределы, заданному физическому каналу. Вы можете установить конфигурационные параметры для канала и одновременно задать для канала значимое имя. Далее вы можете использовать это имя для доступа к каналу и его конфигурации в задаче или в LabVIEW. Вы можете составить описание канала, выбрать тип используемого измерительного преобразователя, установить диапазон (определить коэффициент усиления), выбрать схему заземления, назначить пользовательский масштаб для виртуального канала и назначить каналу значимое имя вместо номера канала. Предположим, канал 0 подключен к датчику температуры. Вы можете создать для канала 0 виртуальный канал и назвать его Temperature Sensor. Вы можете создавать виртуальные каналы для аналогового, цифрового и таймерного ввода-вывода. В этом случае, обращение к каналу по имени (Temperature Sensor), а не по номеру (0) поможет вам запомнить функцию, выполняемую каналом.

• Task – задача NI-DAQmx – это набор одного или более виртуальных каналов с одинаковой синхронизацией и запуском. Концептуально задача представляет процесс измерения или генерации, которые вы хотите выполнить. Каналы, составляющие задачу, могут использоваться в нескольких задачах (глобальные каналы) или быть назначены только для одной задачи (локальные каналы). Вы можете создавать новые каналы при создании задачи или составлять задачу из каналов, созданных ранее при помощи DAQ Assistant.

Devices and Interfaces

В категории Devices and Interfaces приведен список установленного и обнаруженного оборудования NI. Категория Devices and Interfaces содержит также утилиты Self-Test, Test Panels, Reset, Properties и Self-Calibrate для конфигурирования и тестирования устройств.

Утилита Self-Test выполняет внутреннее тестирование DAQ-устройства чтобы удостовериться, что все ресурсы назначены правильно и устройство функционирует нормально.

Утилита Test Panel тестирует функциональность аналогового, цифрового и таймерного ввода-вывода DAQ-устройства. Используйте утилиту Test Panel для решения проблем с функциональностью устройства и конфигурацией системы непосредственно из NI-DAQmx. Если устройство не работает в Test Panel, оно не будет работать и в LabVIEW. Если у вас проблемы со сбором данных в программе LabVIEW, начните поиск неисправностей с запуска утилит Self-Test и Test Panel.

Утилита Reset перезагружает DAQ-устройство в его состояние по умолчанию.

Утилита Properties позволяет просматривать и конфигурировать RTSI и вспомогательные устройства, используемые с вашим DAQ-устройством. Системные ресурсы устройства, такие, как область памяти и уровни прерываний, перечислены на вкладе Attributes в окне, находящемся справа от окна Configuration в MAX.

Утилита Self-Calibrate выполняет внутреннюю калибровку DAQ-устройства.

Scales

В категории Scales перечислены все сконфигурированные на данный момент пользовательские шкалы, а также предоставляются утилиты для тестирования и реконфигурирования этих пользовательских шкал. Категория Scales предоставляет также доступ к DAQ Assistant, который позволяет создавать новые пользовательские шкалы.

Используйте DAQ Assistant для создания пользовательских шкал, определяющих масштабирующую информацию имеющихся виртуальных каналов. Каждая пользовательская шкала может иметь собственное имя и описание для облегчения идентификации. Пользовательская шкала может быть одного из четырех типов:

• Linear (линейная) – шкала, использующая формулу y = mx + b.

• Map Ranges (по диапазонам) – шкала, в которой значения масштабируются в соответствии с пропорцией, составленной из диапазона необработанных значений и диапазона масштабированных значений

• Polynomial (полиномиальная) – шкала, использующая формулу y = a0 + (a₁ × x) + (a₂ × x²) + … + (a_n × xⁿ).

• Table (табличная) – шкала, в которую вы вводите в табличном формате необработанные значения и соответствующие им отмасштабированные значения.

Software

Категория Software показывает все установленное в данный момент программное обеспечение NI. Иконка каждого пакета ПО является также ярлыком, который вы можете использовать для запуска этого ПО. Категория Software также включает агент обновления программного обеспечения (Software Update Agent). Его назначение – проверять версию установленного ПО National Instruments. Если оно не последней версии, Software Update Agent открывает веб-страницу на сайте ni.com для загрузки последней версии ПО.

Software Architecture for Windows

Главный компонент NI-DAQmx, библиотека nidaq32.dll, выполняет вызовы функций непосредственно к DAQ-устройству. Функции, выполняемые nidaq32.dll, зависят от того, откуда вы получаете доступ. С NI-DAQmx могут связываться и MAX, и LabVIEW. MAX главным образом конфигурирует и тестирует DAQ-устройство, а также перечисляет все устройства, присутствующие в системе. Для этого MAX должен взаимодействовать с менеджером устройств Windows и реестром Windows.

Симуляция DAQ-устройства

В NI-DAQmx версии 7.4 и выше можно создавать симулированное устройство NI-DAQmx. Используя симулированные устройства NI-DAQmx, вы можете опробывать изделия NI в вашем приложении, не имея аппаратных средств. Симулированное устройство NI-DAQmx – копия настоящего устройства, созданного для работы с функцией или программой без оборудования с помощью опции NI-DAQmx Simulated Device в меню MAX Create New. При этом загружается драйвер и поэтому программы проверяются полноценно. Когда позднее вы приобретете оборудование, сможете импортировать конфигурацию симулированного устройства NI-DAQmx в реальное устройство с помощью мастера MAX Portable Configuration Wizard. Вы можете также экспортировать конфигурацию реального устройства в систему, в которой не установлено реальных устройств, после чего, используя симулированное устройство NI-DAQmx, работать с вашими приложениями в портативной системе, а по возвращении в оригинальную систему легко импортировать ваше приложение. Дополнительная информация о симулированных устройствах NI-DAQmx доступна в справке NI-DAQmx Help и документе DAQ Getting Started Guide.

Создание симулированных устройств NI-DAQmx

Для создания симулированного устройства NI-DAQmx выполните следующие действия:

1. Щелкните правой кнопкой мыши по категории Devices and Interfaces и выберите Create»New.

2. В появившемся диалоговом окне выберите NI-DAQmx Simulated Device и нажмите на кнопку Finish.

3. В диалоговом окне Choose Device выберите семейство того устройства, которое хотите симулировать.

4. Выберите устройство и щелкните по кнопке OK. В дереве конфигурации в MAX иконки симулированных устройств NI-DAQmx отмечены желтым цветом. Иконки реальных устройств – зеленым.

5. Если вы выбрали устройство PXI, вас попросят выбрать номер шасси и номер слота PXI.

6. Если вы выбрали шасси SCXI, откроются панели конфигурирования SCXI.

Удаление симулированных устройств NI-DAQmx

Для удаления симулированного устройства NI-DAQmx выполните следующие действия:

1. Разверните категорию Devices and Interfaces»NI-DAQmx Devices.

2. Щелчком правой кнопкой мыши выделите симулированное устройство NI-DAQmx, которое хотите удалить.

3. Нажмите на кнопку Delete.

Примечание: в дереве конфигураций MAX, показанном на рисунке 2-13, иконки симулированных устройств NI-DAQmx окрашены желтым цветом, а иконки реальных устройств – зеленым.

Рисунок 2-13. Создание симулированных устройств NI-DAQmx

E. Обзор NI-DAQmx VI

После того, как вы ознакомились с датчиками, сигналами, конфигурацией DAQ-устройств и MAX, вы можете начинать использовать LabVIEW для создания приложения сбора данных. NI-DAQmx поддерживает и другие программные продукты, помимо LabVIEW, но в данном курсе рассматривается только применение LabVIEW для создания приложений сбора данных.

Палитра DAQmx Name Controls

Рисунок 2-14. Палитра DAQmx Control

Палитра DAQmx Name Controls содержит элементы управления для имени задачи, имени канала, физического канала, терминала, наименования шкалы, номера устройства и коммутатора. Поскольку, как правило, конфигурирование задач и каналов в MAX производится до начала программирования в LabVIEW, то обычно используются только элементы управления Task Name и Channel Name. Физический канал, терминал, наименование шкалы и номер устройства конфигурируются в MAX при создании и конфигурировании задачи или канала. Сконфигурированные задачи и каналы автоматически появляются в выпадающих списках элементов управления DAQmx Task Name и DAQmx Channel Name.

DAQmx - Data Acquisition VIs

Используйте NI-DAQmx VI с оборудованием NI-DAQ для создания приложений измерения, сбора данных и управления. Обратитесь к руководству DAQ Getting Started Guide или документу NI-DAQmx Readme за полным списком устройств, поддерживаемых NI-DAQmx.

Рисунок 2-15. Палитра DAQmx

Палитра DAQmx - Data Acquisition содержит следующие константы, VIs, узлы свойств и субпалитры:

Константы

• DAQmx Task Name Constant – перечисляет все задачи, созданные и сохраненные при помощи DAQ Assistant. Щелкните правой кнопкой мыши по константе и выберите из контекстного меню I/O Name Filtering для ограничения задач, отображаемых в константе, и того, что можно вводить в константу.

• DAQmx Global Channel Constant – перечисляет все виртуальные каналы, созданные и сохраненные с помощью DAQ Assistant. Щелкните по константе и выберите из контекстного меню Browse для выбора нескольких каналов. Щелкните правой кнопкой мыши по константе и выберите из контекстного меню I/O Name Filtering для ограничения каналов, отображаемых в константе, и того, что можно вводить в константу.

VI

	DAQmx Create Virtual Channel VI – создает виртуальный канал или набор виртуальных каналов и добавляет их в задачу. Экземпляры этого полиморфного VI соответствуют типу операции ввода-вывода канала (например, аналоговый ввод, цифровой вывод или таймерный вывод), выполняемому виду измерений или генерации (например, измерение температуры, генерация напряжения или подсчет событий), и, в некоторых случаях, типу используемого датчика (например, термопаре или терморезистору при измерении температуры). Эта функция определяет те же настройки, что и конфигурируемые в MAX при создании виртуального канала. Используйте эту функцию, если оператор вашей программы может периодически изменять подключение физических каналов, но не другие важные настройки, например, режим конфигурации терминала или применяемую пользовательскую шкалу. Используйте выпадающее меню физических каналов для задания номера устройства сбора данных и реального физического канала, к которому подключен ваш сигнал.
	DAQmx Read VI – считывает отсчеты из заданных вами задач или каналов. Экземпляры этого полиморфного VI определяют, в каком формате возвращать отсчеты, считать по одному отчету или считывать массив отсчетов, читать из одного или из нескольких каналов. Вы можете выбрать вариант, щелкнув по DAQmx Read VI правой кнопкой мыши и выбрав Select Type для включения дополнительных опций настройки операций чтения.
	DAQmx Write VI – записывает отсчеты в заданные вами задачи или каналы. Экземпляры этого полиморфного VI определяют, в каком формате записывать отсчеты, писать по одному отчету или писать массив отсчетов, писать в один или в несколько каналов. Вы можете выбрать вариант, щелкнув по DAQmx Write VI правой кнопкой мыши и выбрав Select Type для включения дополнительных опций настройки операций записи.
	DAQmx Wait Until Done VI – ожидает завершения измерения или генерации. Используйте этот VI чтобы убедиться, что заданная операция завершена, прежде чем останавливать задачу.

	DAQmx Timing VI – задает количество отсчетов для сбора или генерации и при необходимости создает буфер. Экземпляры этого полиморфного VI определяют тип синхронизации, используемый в задаче.
	DAQmx Trigger VI – задает режим запуска задачи. Экземпляры этого полиморфного VI соответствуют настраиваемому типу запуска.
	DAQmx Start Task VI – переводит задачу в состояние выполнения для начала измерения или генерации. Использование этого VI обязательно в некоторых приложениях и необязательно в других.
	DAQmx Stop Task VI – останавливает задачу и возвращает ее в состояние, в каком она была до использования DAQmx Start Task VI или DAQmx Write VI, на вход autostart которого подано значение TRUE.
	DAQmx Clear Task VI – очищает задачу. До очистки этот VI останавливает задачу, если необходимо, и освобождает зарезервированные под задачу ресурсы. Вы не можете использовать задачу после очистки, пока не создадите задачу заново.

Узлы свойств

	DAQmx Channel Property Node – узел свойств с заранее выбранным классом DAQmx Channel. Щелкните по узлу свойств правой кнопкой мыши и выберите из контекстного меню Select Filter, чтобы узел свойств отображал только свойства, поддерживаемее конкретным устройством или поддерживаемые всеми устройствами, установленными в системе.
	DAQmx Timing Property Node – узел свойств с заранее выбранным классом DAQmx Timing. Щелкните по узлу свойств правой кнопкой мыши и выберите из контекстного меню Select Filter, чтобы узел свойств отображал только свойства, поддерживаемее конкретным устройством или поддерживаемые всеми устройствами, установленными в системе.
	DAQmx Trigger Property Node – узел свойств с заранее выбранным классом DAQmx Trigger. Щелкните по узлу свойств правой кнопкой мыши и выберите из контекстного меню Select Filter, чтобы узел свойств отображал только свойства, поддерживаемее конкретным устройством или поддерживаемые всеми устройствами, установленными в системе.
	DAQmx Read Property Node – узел свойств с заранее выбранным классом DAQmx Read. Щелкните по узлу свойств правой кнопкой мыши и выберите из контекстного меню Select Filter, чтобы узел свойств отображал только свойства, поддерживаемее конкретным устройством или поддерживаемые всеми устройствами, установленными в системе.
	DAQmx Write Property Node – узел свойств с заранее выбранным классом DAQmx Write. Щелкните по узлу свойств правой кнопкой мыши и выберите из контекстного меню Select Filter, чтобы узел свойств отображал только свойства, поддерживаемее конкретным устройством или поддерживаемые всеми устройствами, установленными в системе.
	DAQ Assistant Express VI – создает, редактирует и запускает задачи при помощи NI-DAQmx. Обратитесь к руководству DAQ Getting Started Guide за полным списком устройств, поддерживаемых NI-DAQmx.

Субпалитры

• Используйте DAQmx Real-Time VI и функции, расположенные в палитре DAQmx Real-Time, для настройки и выполнения операций в реальном времени.

• Используйте DAQmx Device Configuration VI и функции, находящиеся в палитре DAQmx Device Configuration, для настройки и управления определенным оборудованием

• Используйте DAQmx Advanced Task Options VI и функции, находящиеся в палитре DAQmx Advanced Task Options, для продвинутой конфигурации и управления задачами.

• Используйте DAQmx Advanced VI и функции, находящиеся в палитре DAQmx Advanced для доступа к разнообразным «тонким» свойствам NI-DAQmx.

Выводы

• Типичное оборудование сбора данных состоит из терминального блока, кабеля и DAQ-устройства.

• В состав типичного DAQ-устройства входят разъемы, АЦП, ЦАП, линии цифрового ввода-вывода и счетчики.

• Шаг квантования по уровню – наименьшее изменение напряжения, которое может определить DAQ-устройство. Шаг квантования зависит от разрешающей способности и от входного диапазона устройства.

• LabVIEW связывается с DAQ-устройствами, используя программное обеспечение NI-DAQmx.

• Функция симуляции NI-DAQmx позволяет симулировать оборудование NI-DAQmx.

• Вы можете использовать MAX для доступа к DAQ Assistant, работы с тестовыми панелями и обновления программного обеспечения, для облегчения конфигурирования и тестирования системы.

• Вы можете использовать DAQ Assistant из MAX или из LabVIEW для создания и редактирования виртуальных каналов, задач и пользовательских шкал.

• Палитра DAQmx - Data Acquisition содержит все VI, необходимые для выполнения сбора и генерации данных в соответствии со специфическими требованиями технического задания.

Самопроверка: короткий тест

1. Что из перечисленного является компонентом DAQ-устройства?

   1. Схема аналогового ввода

   2. Шина передачи данных

   3. RAM

   4. Схема счетчика

   5. Встроенные FIFO

2. Все DAQmx VI и узлы свойств доступны из палитры NI-DAQmx.

   1. Да

   2. Нет

3. Шаг квантования по уровню определяет, насколько близок результат измерения к истинному значению.

   1. Да

   2. Нет

Самопроверка: ответы