Министерство образования и науки Российской Федерации
Марийский Государственный Университет
Кафедра Электромеханики
Лабораторная работа №2
курс: метрология и информационно-измерительная техника
USB- приставка для анализа сигналов
Разработал: доцент Кошкин В.В.
г. Йошкар-Ола
2014 г.
Цель работы – получить практические навыки по вводу различных электрических сигналов в ПЭВМ с помощью стандартных средств.
Оборудование – осциллографическая приставка ( блок ввода аналоговой информации в ЭВМ), персональный компьютер (ноутбук), генератор сигналов специальный.
Обобщенная структура любой ИС представляется состоящей из двух взаимодействующих частей:
функциональной части, включающей прикладные программы, которые реализуют функции прикладной области;
среды или системной части, обеспечивающей исполнение прикладных программ.
С этим разделением тесно связаны две группы стандартов:
- стандарты интерфейсов взаимодействия прикладных программ со средой ИС (Application Program Interface - API);
- стандарты интерфейсов взаимодействия самой ИС с внешней для нее средой (External Environment Interface - EEI).
Рисунок 1 – Обобщенная структура системы сбора.
Данная система не замкнута. Система информационная, поскольку производит информацию о текущем состоянии объекта с помощью управляющих воздействий и ввода данных.
Для получения информации с объекта измерения используют различные датчики. У каждого датчика информация на выход поступает в различном виде, начиная с изменения напряжения и заканчивая стандартным интерфейсом ввода/вывода.
При применении датчиков у которых присутствуют стандартные интерфейсы ввода/вывода, возможно их подключение непосредственно к ЭВМ (рисунок 2.3). При данном способе не требуется затрат на дополнительное оборудование и упрощается управляющая программа.
Рисунок 2.3. – Непосредственное подключение датчиков к ЭВМ.
Но данный способ подключения датчиков имеет и ряд существенных недостатков:
датчики должны иметь стандартные интерфейсы, применяемые в ЭВМ (COM, LPT и т.п.);
число подключаемых датчиков ограничивается числом установленных в ЭВМ портов ввода/вывода;
работа с данными возможна только на одном рабочем месте;
длина проводов соединяющих датчик с ЭВМ существенно ограничена (несколько метров), что может вызвать трудности, если датчики разнесены на большое расстояние.
При применении преобразователя возможно подключение датчиков с аналоговым выходом или с нестандартным интерфейсом. В преобразователе аналоговые сигналы оцифровываются с помощью АЦП и поступают на выход в виде стандартного интерфейса ЭВМ. Сигналы с датчиков с нестандартными интерфейсами также преобразуются к стандартным интерфейсам. К преобразователю возможно подключение нескольких датчиков, а к ЭВМ можно подключить несколько преобразователей (рисунок 2.4). Таким образом, к ЭВМ можно подключить гораздо больше датчиков, чем при первом способе, также возможно увеличение расстояния между датчиком и ЭВМ.
Рисунок 2.4. - Схема подключения счётчиков через преобразователь.
Примером такой системы может служить часть АСУ для крупных ТЭЦ (рисунок 2.5).
Рисунок 2.5. - Схема АСУ для крупных ТЭЦ.
Преобразователь (Ш9327) представляет собой вычислитель, основанный на процессорной плате MicroPC 6012 фирмы Octagon Systems. На данной плате присутствует встроенное АЦП, есть последовательные порты RS-232/RS-485.
Приведённые выше способы сбора информации с датчиков применимы лишь для небольших систем, которые собирают данные с не очень большого количества датчиков и/или с небольшой площади.
Для решения проблемы удаленности, увеличения числа датчиков и объектов управления, для увеличения гибкости измерительной системы были разработаны стандарты, один из которых LXI.
Интерфейсы устройств lxi
Основой шины LXI является LAN. Но вместо модификации существующих стандартов стандарт LXI четко определяет их взаимодействие в пяти областях: физический интерфейс, интерфейс Ethernet, программный интерфейс, WEB интерфейс и синхронизация. [1]
1) Физический интерфейс
Рисунок 3 - Физические требования LXI
Для обеспечения физической совместимости стандарт LXI предусматривает соответствие стандартным физическим размерам стойки (IEC). Для упрощения интеграции рекомендуется размещение конкретных соединений на передней и задней панелях. Каждый модуль должен соответствовать стандартным требованиям по экранированию от электромагнитных помех и охлаждению, применяемым во всем мире.
2) LAN-интерфейс
Используя специализированное LAN-оборудование, устройства IEEE-1588 способны достигать синхронизации во времени в пределах ±100 нс, что особенно важно, когда приборы расположены на большом расстоянии друг от друга. [19],[3]
Для определения соответствующих соединений, протоколов, скоростей, адресов, конфигураций и других условий, которые следует реализовать для обеспечения совместимости в системе используется стандарт IEEE 802.3.
1.3 Интерфейсы
Спецификации внешних интерфейсов среды ИС и спецификации интерфейсов взаимодействия между компонентами самой среды - это точные описания всех необходимых функций, служб и форматов определенного интерфейса. Совокупность таких описаний составляет модель открытых систем (Reference model).
Под интерфейсом понимают совокупность правил взаимодействия устройств и программ между собой и средств, реализующих это взаимодействие. Понятие интерфейса включает в себя как сами аппаратные и программные средства, связывающие различные устройства или программы между собой, так и правила и алгоритмы, на основе которых эти средства созданы.
Интерфейс можно упрощенно представить как совокупность сигнальных линий (шину), объединенных по назначению с определенными электрическими характеристиками и протоколами обмена данными.
Интерфейс сом (rs232)
Последовательный асинхронный порт COM (Communication Port — коммуникационный порт) является одним из самых старых интерфейсов персонального компьютера. Компьютер может иметь до четырех последовательных портов (СОМ 1 – COM4) при обычной физической реализации двух портов. Порты имеют внешние разъемы типа DB25P или DB9P. Обмен по шине осуществляется согласно протоколу RS-232C.
Шина не имеет гальванической развязки с устройствами, поэтому подключение и отключение устройств должно происходить при обесточенной шине.
Гарантированный обмен данными обеспечивается по кабелю длиной не более 15 м и более, пиковая пропускная способность зависит от возможностей, подключенных к линии устройств и достигает 115200 бит/с. В настоящее время интерфейс RS-232 заменяется интерфейсом USB.
Для подключения произвольного УС к компьютеру через RS-232C обычно используют трех- или четырехпроводную линию связи, но можно задействовать и другие сигналы интерфейса.
Рис.
1.2 Формат
данных
RS-232C
Интерфейс usb (Universal Serial Bus)
Шина USB появилась в 1995 году (версия спецификации 1.0). Шина разрабатывалась как способная заменить собой устаревшие интерфейсы компьютера, такие как COM, LPT, PS/2 и обеспечить простоту и гибкость подключения устройств.
Возможности USB следуют из ее технических характеристик:
Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) - 12 Mb/s
Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 m
Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Mb/s
Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 m
Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) 127
Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена
Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI
Напряжение питания для периферийных устройств - 5 V
Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA
USB определяет, добавлено устройство или отключено, благодаря своей разумности, обеспечиваемой основной системой. Шина автоматически определяет, какой системный ресурс, включая программный драйвер и пропускную способность, нужен каждому периферийному устройству и делает этот ресурс доступным без вмешательства пользователя.
Интерфейс получил очень широкое распространение. В настоящее время каждый компьютер оснащен этим интерфейсом.