Виртуальные средства измерений. Акимов В.И

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

В. И. АКИМОВ

В И Р Т У А Л Ь Н Ы Е С Р Е Д С Т В А И З М Е Р Е Н И Й

Учебное пособие

Воронеж 2002

УДК 681.26.35: 621.3.17

Акимов В.И. Виртуальные средства измерений: Учебное пособие.- Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун - т, 2002, 308 с.

В учебном пособии рассмотрены методологические, технические, аппаратные и программные вопросы разработки, реализации и применения измерительных приборов шестого поколения, реализованных на базе современной компьютерной техники. Пособие ориентировано на выполнение требований государственного стандарта РФ ГОСТ Р 8.563 – 96 «ГСИ. Методики выполнения измерений» и Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» (статьи 13, 27).

Подробно рассмотрены базовые виртуальные измерительные средства автоматизированной радиоэлектронной программы «Electronics Worckbench» версий ЕWB 5.12 Pro и ЕWB 6.02, а также разработанные на кафедре СИБ ВГТУ и внедрѐнные в учебный процесс по дисциплинам метрологического и схемотехнического профиля оригинальные виртуальные радиоизмерительные приборы, такие как куметр, электронно – счѐтные вольтметр, частотомер, осциллографы и генератор сигналов, а также виртуальный измерительный комплекс. Большое внимание уделяется аппаратным и программным средствам реализации современных виртуальных средств измерений (ВСИ) отечественных (на примере фирмы «Руднев – Шиляев») и зарубежных (фирма «НР») производителей.

Учебное пособие предназначено для студентов 200700 «Радиотехника» и 201800 «Защищѐнные телекоммуникационные системы», изучающих дисциплины «Метрология и радиоизмерения», «Схемотехника АЭУ» и «Метрология и электрорадиоизмерения в технике связи», по направлениям 654200 «Радиотехника» и 070000 «Специальности в области информационной безопасности» а также может быть полезно широкому кругу инженерно – технических работников и студентов технических вузов, специализирующихся на разработке и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры с помощью современных средств проектирования и измерительной техники на базе персональных ЭВМ. Учебное пособие подготовлено на оптическом носителе в текстовом редакторе WORD.

Табл. 9. Ил. 211. Библиогр.: 25 назв.

Научный редактор: канд. техн. наук., доцент В.В. Бутенко. Рецензенты: кафедра «Радиотехника» Воронежской Высшей

школы милиции МВД РФ; канд. техн. наук, доцент В.И. Битюцкий.

Издаѐтся по решению редакционно – издательского совета Воронежского государственного технического университета

Акимов В.И., 2002

Оформление Воронежский государственный технический университет, 2002

ПРЕДЕСЛОВИЕ

В учебном пособии рассмотрены методологические, технические, аппаратные и программные вопросы разработки, реализации и применения измерительных приборов шестого поколения, реализованных на базе современной компьютерной техники. Пособие ориентировано на выполнение требований государственного стандарта РФ ГОСТ Р 8.563 – 96 «ГСИ. Методики выполнения измерений» и Закона РФ «Об обеспечении единства измерений», (статья 27).

Подробно рассмотрены базовые виртуальные измерительные средства автоматизированной радиоэлектронной программы «Electronics Worckbench» версий ЕWB 5.12 Pro и ЕWB 6.02, а так же разработанные на кафедре СИБ ВГТУ

ивнедрѐнные в учебный процесс по дисциплинам «Метрология и радиоизмерения», «Схемотехника АЭУ» (специальность 200700 «Радиотехника») и «Метрология и электрорадиоизмерения в технике связи» (Специальность 201800 «Защищѐнные телекоммуникационные системы» оригинальные виртуальные радиоизмерительные приборы, такие как куметр, электронно – счѐтные вольтметр

ичастотомер, а также осциллографы и генератор сигналов. Представлены базовые лабораторные работы по указанным дисциплинам с использованием виртуальной измерительной аппаратуры, программно реализованной на базе персональной ЭВМ среднего уровня (на базе процессоров Pentium S) и работающих как в операционной системе WINDOWS 95/98, так и в MS DOS.

Большое внимание уделяется описанию аппаратных и программных средств реализации современных виртуальных приборов (ВСИ) отечественных (на примере фирмы «Руднев – Шиляев») и зарубежных (фирма «НР») производителей. Подробно описаны оригинальные ВСИ и ВИК, разработанные и внедрѐнные в учебный процесс на кафедре СИБ ВГТУ.

ВВЕДЕНИЕ

Для всех у кого есть персональный компьютер (ПК), даже такой «древний» как IBM – 386, уже сегодня доступны «виртуальные» измерительные приборы. Он с Вашей помощью может превратиться из бесполезной вещи в незаменимого помощника, став универсальным измерительным средством. Для этого потребуются аппаратные и программные средства, от уровня сложности которых и будет в первую очередь зависеть объѐм и качество решаемых Вами измерительных задач. Его клавиатура и экран дисплея представляют большие возможности для отображения визуальной информации и управлением процессом и порядком измерительных операций, а дисковод и принтер позволят хранить требуемый объѐм измерительной информации и регистрировать любые параметры, представляющие собой результаты измерений. Кроме того, вычислительная мощность ПК позволяет представлять результаты любых измерений (косвенных, совокупных либо совместных) в виде прямых, а также решать со-

путствующие измерительным прцессам, задачи статистической обработки, регрессионного анализа и статистической проверки гипотез 6 . Превращение ПК в виртуальное измерительное средство (ВИС) решается как мощными фирмами (типа НР), так и радиолюбителями. В первом случае необходимо разработать для современного ПК одну или две платы сбора данных (ПСД) и программное обеспечение, причем, программная часть прибора может эмулировать переднюю управляющую панель автономного измерительного устройства. Конечная цель для подобного рода виртуальных приборов на основе ПК - заменить стандартные измерительные устройства: вольтметры, измерители частотных, фазовых характеристик и нелинейных искажений, осциллографы, спектроанализаторы, измерители комплексных параметров N – полюсников, измерительные генераторы, электронно – счѐтные приборы (ЭСЧ, ЭСВ) и другие. Такой подход до сих пор используется в промышленности и научных лабораториях 4 , но подобных целей можно достичь просто подключив АЦП к стандартным последовательным (СОМ) или параллельным (LPT) портам 2 . Совмещение в ПК возможностей быстрой цифровой обработки, полученной при вводе через ПСД информации с одновременным качественным представлением и сохранением результатов обработки, делает систему виртуальных средств измерений (ВИС) на базе ПК основным инструментом динамических измерений для инженеров самых разных специальностей. Характеристики этих приборов: динамический и частотный диапазон обрабатываемых сигналов, погрешность измерения, чувствительность, разрешение определяются параметрами ПСД.

Другой уровень задач диктуется при разработке и применению ВСИ в учебных целях. В зависимости от типа проблем, возникающих при разработке учебно – информационных комплексов, возникают два основных направления для реализации таких традиционных задач, как проведение лабораторных и практических занятий в режиме «дистанционного» образования. В первом случае необходимо измерительно – метрологическое обеспечение «виртуальных» лабораторных работ. При этом в первую очередь должна решаться задача «визуальной» адекватности (совпадения реальных и «виртуальных» передних панелей используемых приборов). Эта задача наиболее трудоѐмка, она для своего решения требует использования языков высокого уровня и графических интерфейсов ОС WINDOWS. В этом случае наиболее эффективным является применение моделирующих программ типа МС 5 или 6, ЕWB, OrCAD, Virtual Bench, Tanner T – Spice, VeriBest 2000. Почти все перечисленные программы позволяют контролировать процессы, протекающие в радиоэлектронных схемах либо с помощью собственных ВСИ (ЕWB, Virtual Bench), либо с помощью других визуальных средств. Наибольшей степени достоверности и «виртуальной» совместимости, обладают ВСИ программ ЕWB 7 . Методика их применения в лабораторном практикуме рассматривается в 8 . Анализу подобных типов ВСИ посвящѐн раздел 3. Однако полностью удовлетворить потребности учебного процесса эти программы удовлетворить не могут В работе показаны методы и приводятся ВСИ, разработанные студентами РТФ ВГТУ и полностью удовлетворяющих требованиям методического обеспечения средств «дистанционно-

го» образования. Второй круг задач, вытекающий из предыдущих целей связан с разработкой ВСИ, при которых не предусматривается выполнение требований «виртуальной» совместимости, а ставится решение задачи на алгоритмическом и функциональном уровнях. Результаты работ подобного рода также представлены в данном учебном пособии. Результаты этих работ нашли отражение в ежегодных студенческих конференциях ВГТУ и представлены в тезисах докладов в региональном журнале «Информация Безопасность» за 1997 – 2001 г.г.

1. ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ВИРТУАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Персональные компьютеры стали привычными за последние 10 лет не только в бухгалтериях учреждений, в приѐмных чиновников всех уровней, в типографиях и офисах, в поликлиниках и больницах, но и в классах учащихся школ, лицеев, колледжей и в учебных лабораториях ВУЗов, а также (и это самое важное !) в научно – исследовательских центрах и заводских цехах. Основное достоинство этих неоценимых помощников – огромная вычислительная мощность, возможность принимать, обрабатывать, передавать и хранить большой объѐм информации. До последнего времени основной недостаток всех ЭВМ: невозможность работать с аналоговыми сигналами не позволял применять компьютеры в измерительных метрологических процессах.

Решение подобной задачи сталкивалось в первую очередь с недостаточным быстродействием микропроцессоров и отсутствием специализированных аппаратных средств, обеспечивающих согласование объѐкта измерения с входом РС. Попытки решения вопросов согласования простейшими методами с использованием СОМ и LPT – портов средств обмена ЭВМ приводило к небольшому быстродействию системы обработки внешних измеряемых сигналов и недостаточной точности результата измерения. Только с появлением процессоров типа Pentium II и выше стало возможным осуществлять измерение параметров сигналов до частот свыше десятков МГц. Наличие стандартного международного протокола обмена информацией между ЭВМ и измерительными средствами в виде интерфейса IEEE – 488 (в измерительных приборах такую функцию называют каналом общего пользования (КОП)) позволило начать разработку нового поколения измерительных средств. Если приборы пятого поколения включали в свой состав элементы ВТ (микроконтроллеры, микропроцессоры, микро – ЭВМ, элементы оперативной и постоянной памяти (вплоть до HDD), средства оперативного ввода – вывода в виде FDD устройств и клавиатуры, а также программные возможности в виде наличия вложенных стандартных программ и компиляторов языков высокого уровня начиная от самого простого Бейсика до достаточно сложных Фортрана и Паскаля) 5 , то развитие приборов шестого поколения пошло совершенно по другому принципу. Этот принцип заключается в отказе от разработки большинства стандартных измерительных приборов на современной элементной базе, а их программной реализации на базе средств современной вычислительной техники, современных средств программирования 11 - 15 и на основе новейших аппаратных средств

обмена (ПСД) 4 . Такие средства измерений принято именовать компьютерными или виртуальными 10 . Эти приборы состоят из РС (это является необходимым условием качественных и быстрых измерений), одной, реже двух ПСД и программы – эмулятора передней панели прибора в виде управляющей программы. В большинстве случаев возможно использование нескольких управляющих программ – эмуляторов, что позволяет иметь под рукой виртуальный измерительный комплекс (ВИК). Пользователь активизирует требуемое ВСИ из ВИК чаще всего с помощью вспомогательной программы «Менеджер устройств», «мыши» либо клавиатуры. Большинство ВСИ имеют программную «Панель установок», что позволяет пользователю непосредственно с экрана выбирать режим работы прибора, предел измерения шкалы и совмещать измерение и обработку данных с представлением результатов в графической форме. Наличие модема в составе РС позволяет после оформления протокола измерений передать их в требуемое место с помощью сети INTERNET. Возможность программной реализации операций калибровки и установок на 0 с помощью аппаратных средств ЭВМ позволяют получать результаты измерений с наперѐд заданной максимально – допустимой погрешностью без систематической погрешности. Реализация заданной точности измерения определяется оптимальным выбором как самого ВСИ, так и оптимальным выбором режима его работы, а также способностью уменьшать случайные погрешности с помощью многократных наблюдений и программной реализацией статистических методов измерений.

Компьютерные измерительные приборы функционально заменяют стандартные вольтметры, генераторы, осциллографы, спектроанализаторы. Они позволяют не только автоматизировать процесс измерений, но и сделать его очень удобным для пользователя. Перечисленные выше реальные приборы могут быть заменены их виртуальными аналогами с помощью однотипной ПСД. ВИК при этом формируется только управляющими программами – эмуляторами.

Таким образом, виртуальные средства измерений являются не просто копией реальных приборов с полным набором их измерительных функций, но обладают программной способностью расширения базовых функций наиболее полно и оптимально удовлетворяющих требованиям конкретно решаемой задачи.

1.1 Сравнительная характеристика ВСИ и реальных приборов

Приведѐм основные преимущества виртуальных приборов перед стацио- нарными:

-настраиваемый пользовательский интерфейс, удобный пользователю, а не производителю;

-богатейшие возможности по приѐму , передаче, обработке и хранению метрологической информации;

-возможность адаптации к реальным условиям измерения с целью получения заданной точности;

-автоматизированный процессов калибровки и установки нуля;

-выбор оптимального способа представления результатов совместных измерений (график, формула, таблица, диаграмма);

-учѐт статистики предыдущих измерений;

-работа в реальном времени с быстрыми по времени процессами

(большого числа (до нескольких сотен) измеряемых параметров либо объѐктов;

-расширенный специализированный анализ с использованием стан-

дартных программ MATEMATICA, MATCAD, MATLAB, STATISTICA;

-язык интерфейса можно быстро изменить на нужный.

Сравнение электрических и стоимостных характеристик реальных приборов и ВСИ представлены табл.1.1 и табл. 1,2 4 .

Таблица 1.1

Сравнительная таблица стандартных генераторов и ВСИ по основным эксплутационным и стоимостным характеристикам

Примечание: стоимости даны в сопоставимых на сегодняшнее время цена без учѐта уровня их изменений и инфляции по сравнению с 1998 годом.

Метрологические параметры и функциональные возможности ВСИ определяются параметрами и функциональными возможностями ПСД, используемых в РС. Погрешность ВСИ определяется не только разрядностью АЦП (числом знаков после запятой), которое выводится на экран монитора. Не исключается возможность того, что эти цифры могу оказаться ложными, если не приняты меры метрологического характера. Одним из распространѐнных заблуждений, приводящих к ошибочным результатам, является критерий разрядности АЦП. Этот параметр указывают в ГОСТах как основной, определяющий качество преобразователя. Если за время измерения входной сигнал изменится меньше, чем на половину кванта младшего разряда, тогда этот параметр информативен. Если изменения входного сиг-

нала выше, то возникнут динамические погрешности. Следует иметь в виду, что эти рассуждения не учитывают влияние помех, сопутствующих измерительному сигналу. В этом случае необходимая разрядность АЦП определяется выбором критерия оптимальности. В цифровых системах обработки сигналов наиболее известны энергетический (максимум отношения сигнал/помеха (С/П)), информационный либо качественный критерии 16 . При решении задач, связанных с преобразовании информации при наличии внешних помех наиболее целесообразен качественный критерий (например, минимум вероятности погрешностей первого и второго рода) 17 .

Другое заблуждение заключено в неправильном понимании связи динамического диапазона, требуемого разрешения и точности. Так 12 – разрядный АЦП способен сформировать N = 212 = 4096 кодовых квантов, если динамический диапазон определяется от – 5 до + 5 В, то такое АЦП способно различить сигнал в соответствии с ценой младшего кванта в 2,5 мВ. Если применить предварительный усилитель с коэффициентом 10, то и цена младшего кванта уменьшится в 10 раз и станет равной 250 мкВ. Входной сигнал при этом станет соответствовать динамическому диапазону от - 0,5 до + 0,5 В. Тогда входной сигнал Uвх = 100 мВ при измерении в диапазоне от – 5 до +5 В имеем относительную погрешность 1 = 2,5 %, а в диапазоне от – 0,5 до + 0,5 В относительная погрешность уменьшится до 2 = 0,25 %. При этом остаѐтся справедливым основное правило измерений, который определяется выбором оптимального диапазона, обеспечивающего измерение искомой величины в правой части шкалы, т.е. чем ближе измеряемое напряжение к верхней части шкалы, тем выше точность его измерения. Быстродействие АЦП определяется значением тактовой частоты и в современных ПСД она может достигать величины 1 ГГц 4 . В ГОСТе время преобразования определяется как время от начала преобразования (старта) до выдачи на выходе устойчивого кода. Пусть перед АЦП включены мультиплексор и аналоговый усилитель, которые также будут оказывать непосредственное влияние на время преобразования. Поэтому их частотные характеристики так же должны быть учтены для оценки времени преобразования аналогового сигнала в цифровой код. В ряде ВСИ используются калибраторы на базе аналого – цифрового канала (АЦК), основным элементом которого служит АЦП. Требования ГОСТа устанавливают точность АЦК по крайней мере в три раза выше, чем требуемая точность измерителя. На практике точность калибратора лучше увеличить ещѐ в три раза. Частота калибровочного сигнала как правило лежит в районе единиц килогерц, поэтому для преобразователя обеспечивается полноценный статический режим. Согласно имеющимся каталогам, наиболее дороги источники опорного напряжения с точностью установки до 0.1 %. Кроме этого на результат измерений может оказать дрейф нуля предварительного усилителя, выполненного по дифференциальной схеме. Из сказанного следует, что для получения высокоточных измерений недостаточно выбрать тип преобразователя (АЦП) с разрядностью соответствующей динамическому диапазону и заданной точности измерения. Что касается быстродействия, то следует указать, что большинство ВИС, имеющих минимальную стоимость, крайне ограничены по полосе измеряемых частот. Это определяется в первую очередь затратами времени, необходимыми АЦП для перехода от аналога к цифре (время зависит от типа АЦП: последовательный, параллельный, последовательно – параллельный), а во вторую – затратами времени, необходимыми для программной обработки каждого отсчѐта. Наименьшее быстродействие программы обработки требуют последовательные АЦП, а наименьшее - параллельные. Дешѐвые ВИС оснащены последовательными АЦП и поэтому производят от нескольких десятков до десятков тысяч отсчѐтов в сек. Это достаточно для измерения параметров медленных процессов (процесс заряда емкостных накопителей или аккумуляторов либо контроль температуры, давления и других параметров метеорологического мониторинга), но для правильного отображения формы сигнала, а тем более оценки его спектральных параметров, скоростной ресурс должен быть повышен как за счѐт аппаратных средств (переход к многоразрядным параллельным АЦП), так и за счѐт выбора оптимальных алгоритмов для реализации программного обеспечения (использование процедуры БПФ). Это может значительно

повысить стоимость разрабатываемого ВИС, поэтому как разработчик, так и пользователь должны чѐтко представлять возможности оборудования и ПО и учитывать их, прежде чем делать поспешные выводы, основываясь лишь на данных технического описания или на основе полученных результатов измерений. Перейдѐм к элементам, составляющих другие компоненты ВСИ.

1.2. Программное обеспечение виртуальных приборов

Программное обеспечение ВСИ можно разделить на три группы:

-пакет прикладных программ – эмуляторов передних панелей стандартных средств измерений (ППК – ЭМ);

-программ обработки измерительной информации (ПО);

-программ согласования ПСД с ЭВМ (драйвера) 10 ;

-программы установки режимов работы ВСИ (панель установок).

Программное обеспечение, поставляемое вместе аппаратными средствами включают стандартные программы (СП), драйвера (Д) и примеры программирования

(ПП). Их набор рассчитан на реализацию ВСИ как в операционной среде DOS для РС типа 486, так и для среды WINDOWS 95/98 и выше. Универсальность к среде обеспечивается сервисной программой просмотра и переформатирования данных для DOS и WINDOWS. Требования к типу монитора определяются типом компьютера, но не могут быть ниже VGA. Использование более мощных компьютеров позволяет получить результаты с улучшенным документальным оформлением в виде графиков, таблиц, диаграмм, а также имеют более удобный интерфейс. При этом могут использоваться режим «предыстории» просмотра всей реализации (осциллограммы), режим «лупы», режим «рука», при котором перемещается содержимое экрана осциллографа в любом направлении, режим выбора сглаживания данных и выбор цветовых параметров сигналов каналов, представления численных данных, оцифровки осей координат, типы линий и другие возможности. Предусматривается ввод фазовой задержки между сигналами каналов, выбор числа каналов и разделение сигнальных потоков по независимым каналам, сохранения данных в формате ASCII, RFT и фильтрации.

1.2.1. Виртуальные измерительные приборы для WINDOWS

Основным достоинством виртуальных приборов является возможность создания виртуального измерительного комплекса (ВИК). Наиболее просто и вместе с тем максимально эффективно провести объединение ВСИ в ВИК с помощью программы «Диспетчер приборов». Эта программа содержит панель с функциональными кнопками и несколькими информационными окнами (чаще в первом приводится перечень ВСИ, входящих в ВИК, а во втором – отображаются активизированные приборы и режим их работы). Функциональные клавиши определяют вид операции с ВСИ: «Запустить», «Изменить», «Добавить», «Уда-

лить», «Открыть», «Выгрузить», «Обновить», «Выход». В зависимости от типа ВИК

«ДИСПЕТЧЕР» может содержать и другие функциональные клавиши и фиксированные режимы работы. Для иллюстрации принципов реализации ВСИ рассмотрим виртуальный цифровой осциллограф (ВЦО) и виртуальный генератор (ВГ).

1.3. Виртуальный цифровой осциллограф

Стандартная панель отечественного виртуального двухканального цифрового осциллографа представлена на рис. 1.1. К сожалению, программное обеспечение этого типа ВЦО ориентировано на режим DOS и из – за этого автору не удалось восстановить надписи на панели на русском языке (перейти из режима ASCII (кодировка DOS) в режим ANSI (кодировка WINDOWS)). Кроме этого автору не удалось выполнить режимы установки работы ВЦО в

полном объѐме, в частности, не оптимизирован цвет экрана (замена чѐрного на светлый). В дальнейшем более подробно рассмотрим назначение основных клавиш панели прибора и задание основных режимов его работы. Программное обеспечение ВЦО занимает около 5 Мбайт на жѐстком диске (HDD), а при работе с ― ДИСПЕТЧЕРОМ ПРИБОРОВ” необходимо дополнительно 600 Кбайт памяти. Программа поддерживает обмен данными с платой ПСД в двух режимах «Сбор данных» в оперативную память ПСД (режим обратного хода) и «Передача и обработка», при котором проводится передача данных из ОЗУ ПСД в память ЭВМ и обработка этих данных в соответствии с алгоритмом работы прибора. В этом режиме управление ВЦО блокируется, что соответствует режиму «прямого хода луча» по аналогии с аналоговым осциллографом. При этом скорость обработки для режима реального времени определяется быстродействием процессора ЭВМ, объѐмом ОЗУ РС, объѐмом ОЗУ ПСД и числом рабочих каналов, задействованных в работе (при обработке двух сигналов время обработки уменьшается в два раза)