Метрология и электрорадиоизмерения / Вспомогательный теоретический материал / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

измерительных задач. Основная особенность всех продуктов NI – максимальное использование открытых, широко распространенных технологий для решения как простых, так и очень сложных измерительных задач. Кроме широкого ассортимента аппаратных средств, эта фирма предлагает несколько программных продуктов для создания КИУ, среди которых – популярная среда для разработки виртуальных приборов

LabView.

КИУ позволяют получить универсальное средство измерения, которое позволило бы решать измерительные задачи разного типа, и при этом со временем могло бы модифицироваться под новые задачи, с минимальными затратами времени и денег.

Платы сбора данных и управления

Наиболее распространенным вариантом построения КИУ на основе стационарных ПК, является использование встраиваемых плат сбора данных и управления, предназначенных для ввода измерительной информации в ПК и вывода управляющих сигналов. В состав DAQ-плат могут входить следующие узлы и блоки:

•аналоговые входные устройства – для подачи измерительных сигналов. Входы плат могут быть изолированными от общего провода, дифференциальными или с общей землей, специализированными для определенного типа датчиков, а также включать устройства защиты, блокирующие сигналы высокого уровня;

•аналоговые выходные блоки – используют для питания датчиков, подачи управляющих и измерительных сигналов на внешние устройства;

•цифровые блоки ввода/вывода – для цифровых сигналов управления и измерительной информации. Могут быть предусмотрены как отдельные линии для ввода и вывода, так и совмещенные – двунаправленные. В ряде плат используют гальваническую развязку цифровых линий;

•мультиплексоры сигналов – для переключения сигналов с нескольких входов;

•усилители аналоговых сигналов – служат для приведения уровня исследуемого сигнала к диапазону рабочих напряжений АЦП. Применяются для слабых сигналов и сигналов с большим динамическим диапазоном;

•фильтры помех и наводок, подавители нежелательных частотных составляющих измеряемого сигнала;

•преобразователи формы сигналов, детекторы ВЧ сигналов;

•функциональные корректоры характеристик датчиков;

363

•аналого-цифровые преобразователи – для преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую для последующей программной обработки в ПК или сигнальном процессоре;

•цифро-аналоговые преобразователи – для генерации аналоговых измерительных сигналов различной формы, а также сигналов управления внешними устройствами;

•таймеры и счетчики – применяют для измерения длительности и частоты сигналов, запуска и синхронизации различных узлов;

•цифровые сигнальные процессоры (DSP – digital signal processor) –

специализированные микропроцессоры для обработки сигналов. Их использование позволяет повысить быстродействие КИУ за счет разгрузки основного процессора компьютера. DSP на DAQ-платах применяются для работы с быстрыми сигналами в реальном времени. Например, сигнальный процессор может решить задачу спектрального анализа в реальном времени, производя операцию быстрого преобразования Фурье над дискретизированным входным сигналом непосредственно на измерительной плате.

Существует несколько типов DAQ-плат, отличающихся по функциональному назначению. Рассмотрим лишь некоторые из них, используемые в КИУ для решения радиоизмерительных задач.

Платы многофункциональных измерителей параметров сигналов. С

их помощью строят универсальные цифровые мультиметры (DMM – Digital Multimeter). Платы DMM cодержат, кроме АЦП, набор функциональных преобразователей, расширяющих список измеряемых физических величин (напряжение, ток, сопротивление и др.). Основные параметры: разрешающая способность, чувствительность по току и напряжению, рабочая полоса частот, предел допускаемой погрешности.

Платы быстродействующих АЦП предназначенны для осциллографирования сигналов. Позволяют работать с сигналами как во временной, так и в частотной областях. Функциональные возможности таких плат определяются программным обеспечением. На базе такой платы можно построить не только осциллограф, но и анализатор спектра. Платы имеют встроенную память, позволяющую обеспечить захват отсчетов сигнала большой длительности. Основные параметры: разрядность, динамический диапазон, частота дискретизации, полоса пропускания, размер внутренней памяти.

Платы цифрового ввода/вывода. Предназначены для тестирования работы цифровых устройств и интерфейсов, а также для контроля и отладки их программного обеспечения. Высокоскоростные платы цифрового ввода/вывода используются для создания логических анализаторов и генераторов цифровых сигналов. Использование встроенной в плату памяти позволяет обрабатывать и генерировать потоки данных со скоростью превосходящей скорость системной шины ПК. Основные парамет-

364

ры: количество цифровых каналов, тактовая частота, скорость передачи данных, пропускная способность, типы логических уровней.

Платы генераторов сигналов. На их основе строятся функциональные генераторы и генераторы сигналов произвольной формы, в т.ч. модулированных сигналов. Эти платы содержат ЦАП, цифровые и аналоговые фильтры, а так же встроенную память для хранения отсчетов генерируемого сигнала. В самом простом случае сигналы создаются путем периодического воспроизведения фрагмента, предварительно записанного в память. Для изменения их частоты повторения используется технология прямого цифрового синтеза (DDS), которая позволяет на базе одного фрагмента получить сигналы с разной частотой. Основные параметры: разрядность, частота дискретизации, диапазон частот, диапазон регулировки выходного напряжения.

Платы таймер/счетчик. Содержат счетчик входных импульсов и образцовый генератор временных интервалов (таймер). Позволяют на базе DAQ-платы построить электронно-счетный частотомер, измеритель временных интервалов, генератор импульсов заданной длительности и частоты. Основные параметры – количество таймеров/счетчиков, их разрядность, тактовая частота и ее стабильность.

Универсальные многовходовые платы сбора данных. Применяются для сбора информации от большого количества датчиков. Обычно содержат как аналоговые так и цифровые входы/выходы. Такие платы позволяют создавать измерительные стенды и измерительновычислительные комплексы. Основные параметры: количество аналоговых и цифровых входов и выходов, разрядность, частота дискретизации, тактовая частота. Разновидностью универсальных плат являются платы аналоговых входов. Каждый вход такой платы подключен к отдельному каналу со своим АЦП. Это дает возможность не только вести параллельный сбор информации, но и использовать в каналах независимую обработку сигналов (выбирая индивидуально вид цифрового фильтра, параметры запуска и частотудискретизации и пр.).

Использование плат сбора данных, встраиваемых в компьютер – самый конструктивно простой вариант построения КИУ. DAQ-плата включается в слот системной шины, например PCI, на материнской плате ПК. Этот тип интерфейса обеспечивает высокую скорость передачи данных(например, до 132 МБ/с при разрядности 32 бит и частоте шины 33 МГц). Еще большую пропускную способность можно получить в ПК с шиной стандарта PCI Express – до 4ГБ/с. При использовании нескольких плат осуществлять их синхронизацию можно непосредственно через системную шину. Это избавляет от необходимости использовать дополнительные провода и подключать платы друг к другу через внешние разъемы. Недостатком реализации КИУ на встраиваемых платах является ограниченное количество одновременно включаемых плат. Это обуслов-

365

лено как не достаточным количеством свободных слотов системной шины в ПК, так и большими габаритами самих DAQ-плат. Наличие источников импульсных помех в ПК требует экранирования плат. Отметим также неудобство подключения сигнальных проводов к задней панели ПК со встраиваемыми платами.

Последний недостаток можно устранить, используя внешние устройства сбора данных. Они подключаются к ПК по одному из стандартных интерфейсов: RS–232, GPIB, USB, и др. К таким устройствам относятся USB-приставки (USB-осциллограф, USB-генератор и др.). Их удобно размещать в непосредственной близости от объекта исследования, и они просты в подключении к ПК. USB интерфейс версии 2.0 обладает скоростью передачи до 60 МБ/с (версии 3.0 – до 600 МБ/с). Он удобен возможностью «горячего подключения», при котором нет необходимости отключать питание ПК, а также автоматическим определением устройства операционной системой и установкой драйверов (“plug and play”). При необходимости размещать средства измерения на большом расстоянии от ПК выбирают DAQ-устройства с Ethernet интерфейсом, который может обеспечивать довольно высокую скорость передачи (до 1Гбит/с).

Мобильные варианты КИУ реализуют с применением портативных ПК (ноутбуков). Для них встраиваемые платы сбора данных выпускаются в виде карт, включаемых в слот PCMCIA(PC card). В настоящее время интерфейс PCMCIA является уже устаревшим – вместо него используется разъем ExpressCard, подключаемый к шинам PCI Express и USB.

Модульные КИУ

Значительно увеличить число измерительных каналов КИУ позволяет модульная система согласования и коммутации измерительных сигналов SCXI. Система включает в себя одно или несколько выносных шасси, в каждое из которых устанавливается 4 или 12 SCXI-модулей сбора данных (рис. 15.2). Это платы аналоговых входов, аналоговых выходов, цифрового ввода/вывода или коммутационные модули (мультиплексоры, контроллеры-реле). Шасси имеет собственный источник питания, встроенную систему управления и обеспечивает хорошую помехозащищенность модулей.

Модули SCXI содержат в себе блоки питания датчиков, устройства выборки и хранения, коммутаторы сигналов и согласующие измерительные преобразователи, осуществляющие усиление, фильтрацию, коррекцию и пр. В ряде случаев подключение сигналов от исследуемых устройств (ИУ) к модулям осуществляют через съемный терминальный блок (ТБ), который включает в себя специализированные преобразователи сигналов термопар, тензодатчиков и пр. Питание, синхронизацию и передачу данных между модулями в шасси осуществляют через шину

366

SCXIbus. Скорость передачи информации по шине от 333КСлов/с в мультиплексном режиме до 1,2 МСлов/с в параллельном режиме. Стоит отметить, что данный тип шины не поддерживает технологию «горячего подключения».

Рис. 15.2. Элементы КИУ с модульной системой SCXI

Таким образом, модульная система SCXI по своему назначению является высокоскоростным коммутатором сигналов и может быть использована для создания многоканальных измерительных стендов.

Рис. 15.3 Варианты подключения модульной системы SCXI: а – через DAQ-board, б – через USB-интерфейс

Связь SCXI-системы с ПК может осуществляют через встраиваемую в компьютер DAQ-плату (рис.15.3, а), либо через SCXI-модуль сбора данных, обладающий USB интерфейсом (рис.15.3, б). В первом варианте соединение выполняют с помощью специализированного экранированного кабеля с разъемами, подключаемыми к DAQ-плате напрямую, а к SCXI-модулю – через специальный адаптер, обеспечивающий надежное механическое соединение. Если модули работают в параллельном режиме, то для каждого модуля должна быть предусмотрена отдельная DAQплата. Если модули работают в мультиплексном либо смешанном режи-

367

ме, то кабель подключается к одному из модулей-контроллеров. Существенно упростить подключение SCXI-системы к ПК позволяет SCXIмодуль предоставляющий USB-интерфейс.

Самые широкие возможности имеют модульные КИУ и измерительные системы, основанные на открытом промышленном стандарте PXI (PCI eXtention for Instrumentation). Стандарт PXI был введён в 1997 году как открытый промышленный стандарт альянсом PXISA (PXI Systems Alliance), состоящим из более чем 70 компаний, которые сейчас производят более тысячи различных PXI продуктов. Подбирая PXI модули из широкого диапазона измерительных устройств, производимых компани- ями-членами PXI альянса, можно реализовать не только КИУ, но и сложные измерительные системы. В 2005 г. появилась спецификация стандар-

та PXI Express (PXIe), основанная на шине PCI Express. Шасси PXIe об-

ладают пропускной способностью до 24ГБ/с.

Модульная система PXI включает в себя шасси, в слоты которого вставляются PXI-совместимые модули. В PXI-шасси коммутация модулей осуществляется через шину CompactPCI, которая имеет пропускную способность как у стандарта PCI – 132 МБ/с (32 разряда, 33 МГц), однако допускает установку до 8 модулей-плат и позволяет использовать «горячее подключение». Данная система предполагает использование модуля

встроенного системного контроллера. Это самостоятельный компьютер управляемый операционной системой Microsoft Windows или NI LabVIEW Real-Time, он всегда включается в крайний левый слот. К разъемам на передней панели встроенного контроллера подключают монитор, и устройства для ввода текстовой и указательной информации. В ряде случаев, для управления модульной с системой с помощью ПК, используют модуль удаленного контроллера. Такой вариант контроллера экономичнее, т.к. позволяет задействовать недорогой и высокопроизводительный персональный компьютер. Управление PXI-шасси с удаленным контроллером осуществляют с персонального компьютера или ноутбука через высокоскоростной интерфейс MXI Express. Данный интерфейс также используют для объединения нескольких PXI-шасси в составе одной измерительной системы. Контроллер подключают через интерфейсную плату, встраиваемую в ПК (в ноутбуке – Express Card). Соединение осуществляют специализированными медными (скорость передачи до 2.5ГБ/с, длина до 7м) или опто-волоконными кабелями (скорость передачи до 5.6 ГБ/с, длина до 100м).

Шина PXI-шасси имеет дополнительные линии тактирования и синхронизации, что обеспечивает высокий уровень интеграции отдельных модулей по сравнению с другими вариантами построения КИУ. Фронтальное расположение модулей упрощает заменумодулей и подключение измерительных сигналов. Модульный конструктив CompactPCI обеспечивает повышенную надежность и производительность, поэтому он используется в промышленных компьютерах. Высоконадежные соедините-

368

ли обеспечивают многократные циклы подключения модулей, также стоит отметить высокую вибростойкость конструкции, что не маловажно при эксплуатации в промышленных условиях. PXI-шасси имеет собственный источник питания, единый для всех модулей. Модульные системы легко конфигурируются, при этом их размеры значительно меньше размеров аналогичного по функционалу комплекта стандартных измерительных приборов.

Программное обеспечение КИУ. Виртуальные измерительные приборы

Программное обеспечение определяет функциональное назначение КИУ, его возможности и степень автоматизации процесса измерений. Оно позволяет пользователю управлять процессом измерения и реализует операции накопления, обработки, и визуализации измерительной информации. Важной особенностью ПО КИУ является его гибкость: одно и тоже ПО может быть совместимо с различными DAQ-устройствами.

Как правило фирма-изготовитель предлагает готовое ПО в комплекте с DAQ-устройством, тем самым предоставляя пользователю законченное компьютерное средство измерения с жестко установленной функциональностью (осциллограф, мультиметр и пр.) Подобное фирменное ПО либо не предполагает, либо имеет ограниченные возможности по конфигурированию КИУ. Возможность модификации КИУ на основе имеющейся аппаратной части в этом случае возможна лишь путем приобретения новых готовых программных продуктов утого же производителя.

Программное обеспечение компьютерного средства измерения можно выделить на две компоненты: драйвер и прикладное ПО. Драйвер (Driver software) относится к категории системного программного обеспечения, которое предоставляет операционной системе доступ к аппаратной части КИУ. Такое ПО уникально для однотипных устройств сбора данных и, как правило, поставляется с ними в комплекте. Драйверы предоставляют интерфейс программирования приложений (API – Application Programming Interface), позволяющий абстрагироваться от особенностей аппаратной реализации КИУ и создавать ПО на высокоуровневых языках. Совместно с драйвером может поставляться документация, которая содержит спецификацию интерфейсных функций (набор команд для общения с DAQ-устройством), примеры их использования, описание возможных ошибок. Опционально могут поставляться библиотеки про- грамм-надстроек реализующие интерфейс драйвера на различных языках программирования. Оптимальную производительность обеспечивают драйвера, предназначенные для работы с конкретным прикладным ПО. В этом случае пользователю не нужно тратить время на изучение интерфейса драйвера и его интеграцию с приложением.

369

Прикладное ПО реализует логику работы виртуального прибора и его интерфейс. DAQ-устройство может иметь закрытую или открытую спецификацию, второй вариант предоставляет возможность создавать собственное ПО для имеющегося аппаратного обеспечения. Самостоятельная разработка виртуального прибора требует от пользователя знания языков программирования и определенных временных затрат на разработку алгоритма работы, создания программы и ее тестирования. Упростить этот процесс позволяет использование прикладных сред для разработки виртуальных приборов, обладающих набором готовых библиотек драйверов, программных модулей, решающих различные математические задачи, и графических элементов для создания интерфейса управления прибором и представления результатов измерения. Кроме того, такие программные продукты, как правило, обладают различными обучающими примерами и руководствами по программированию, что значительно сокращает время на их освоение.

В настоящее время популярны среды разработки, ориентированные на упрощенное, графическое программирование, позволяющее реализовать логику работы путем составления блок-схем. Из наиболее известных – это LabView от компании National Instruments. ПО виртуального прибора, реализованного в NI LabView, включает изображение его передней панели, куда помещаются графические элементы ввода/вывода информации и управления, и блок-диаграмму, программирующую алгоритм работы прибора на графическом языке «G». В процессе программирования можно выделить следующие этапы:

1.Подключение драйвера соответствующего DAQ-устройства из библиотеки фирмы-изготовителя.

2.Разработка внешнего вида передней панели виртуального прибора. Ее осуществляют выбором и размещением на передней панели элементов управления (ручки, переключатели, кнопки, и пр.), поля ввода/вывода числовой или текстовой информации и индикаторов (лампочки, цифровые индикаторы, графики и пр.). Полученный графический интерфейс в ряде случаев имитирует переднюю панель традиционного измерительного прибора, решающего аналогичные задачи.

3.Программирование логики работы прибора. Заключается в создании блок-диаграммы, отражающей алгоритм функционирования прибора, потоки измерительных и управляющих сигналов и их преобразование. Блок-диаграмма строится из элементов и соединителей. Соединители имитируют линии связи, проводники или цифровые шины. Элементами блок-диаграммы могут быть: константы, функции, объектыпреобразователи. Алгоритм работы прибора может содержать переходы по условию, циклы. В алгоритме можно выделять смысловые блоки, задавать время и последовательность их выполнения и пр. Элементы алгоритма со сложной логикой работы отображаются в виде

370

пиктограмм, как правило, их принцип работы описывается аналогично – блок-диаграммой, которую (при необходимости) можно корректировать.

Пользователю не обязательно вести разработку виртуального прибора с нуля. Можно приобрести готовую реализацию похожего прибора и изменить ее, исходя из условий решаемой измерительной задачи. Самостоятельная разработка виртуального прибора или модификация готового позволяет лучше понять логику работы реализуемого средства измерения, задать необходимую конфигурацию и удобный пользователю интерфейс.

Контрольные вопросы.

1.Что такое виртуальный прибор? Чем он отличается от традиционного измерительного прибора? Чем определяется его точность?

2.Что необходимо для создания виртуального прибора? Выделите основные этапы его разработки.

3.Перечислите возможные варианты построения КИУ, сравните их.

4.Каковы достоинства и недостатки КИУ по сравнению с микропроцессорными измерительными приборами.

5.Как строятся КИУ на базе модульной системы SCXI? Какова их область применения?

6.Чем должен руководствоваться пользователь при выборе аппаратного обеспечения для КИУ?

7.Какие типы DAQ-плат бывают? Каково назначение каждой из них? Приведите примеры средств измерений, которые могут быть построены с их использованием.

8.Опишите структуруи назначение программного обеспечения КИУ.

371

Глава 16

Измерительные системы

Общие вопросы построения измерительных систем

Измерительные приборы и собранные из них измерительные установки и стенды не позволяют решить все задачи, возникающие в инженерной практике. Ограничения возникают из-за невозможности проводить измерения в удаленных местах, трудоемкости передачи измерительной информации в устройство обработки (компьютер), сложности автоматизации измерительной процедуры. Эти проблемы решают с помощью из-

мерительных систем (ИС).

Под измерительной системой понимают объединенную каналами передачи информации совокупность:

•средств измерений (измерительные преобразователи и приборы);

•средств обработки информации (микропроцессорные системы и компьютеры);

•средств хранения (запоминания) и регистрации информации;

•средств отображения результатов измерений (табло, дисплеи);

•Средств управления измерительным процессом (контроллеры, пульт управления и пр.).

Элементы измерительных систем называют модулями, каналы связи между ними – интерфейсом ИС. При разработке ИС используют индивидуальный принцип построения (каждая система разрабатывается независимо от других, все модули – индивидуальны, протоколы обмена информацией – единичны) и агрегатный (модульный) принцип. В последнем случае ИС собирается из законченных блоков (модулей), объединенных общим принципом построения и взаимодействия (интерфейсом). Агрегатные средства стандартизированы в виде комплексов средств построения ИС. Например, ГСП – государственная система промышленных приборов и средств автоматизации, Регламентируется единой системой стандартов приборостроения.

Агрегатный принцип построения ИС требует обеспечивать несколько уровней совместимости средств ИС. Совместимость позволяет объединять модули в систему без их доработки и конструктивных изменений.

372