5. Компьютерные измерительные системы

В настоящее время сформировались новое направление в метрологии и радиоизмерительной технике — компьютерно-измерительные системы (КИС) — и их разновидности, или направление развития, — виртуальные измерительные приборы. КИС обязательно включает в себя компьютер, работающий в режиме реального масштаба времени, или, как теперь принято говорить, в режиме on-line.

Персональные компьютеры используются не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. КИС на основе персонального компьютера заменяют стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и пр.) системой виртуальных приборов. Причем ряд этих приборов может быть активизирован (воспроизведен) на одном персональном компьютере одновременно.

К отличительным особенностям и основным преимуществам КИС по сравнению с микропроцессорными приборами относятся:

• обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, доступных для оператора, позволяющий решать широкий круг прикладных задач измерений (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т.д.);

• возможность оперативной передачи данных исследований измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям (например, сети Интернет);

• высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;

• возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости;

• возможность составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;

• возможность оперативного использования различных устройств документирования результатов измерений.

Структурная схема КИС. В самом общем случае КИС может быть построена двумя способами: с последовательной и параллельной архитектурой.

В КИС с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому вся соответствующая электроника размещается на слотах компьютера. Достоинства такой архитектуры построения КИС очевидны: благодаря использованию принципа разделения обработки по времени стоимость системы невелика.

В КИС с параллельной архитектурой содержится ряд параллельных каналов измерения, каждый из которых имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов, и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т.е. объединения сигналов). Подобный принцип построения КИС позволяет проводить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника исследуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме.

На рис. 10 показана обобщенная структурная схема компьютерно-измерительной системы, отражающая как последовательную, так и параллельную архитектуру построения.

Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляется с помощью внутренней шины персонального компьютера, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, принтер, плоттер), так и измерительная

Рис. 10. Обобщенная структурная схема компьютерно-измерительной системы

схема, состоящая из коммутатора АЦП и блока образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты.

С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоге вые сигналы, интерфейсный модуль (ИМ) подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Контроллер устройства обеспечивает подачу аналоговых сигналов с внешних датчиков на узлы системы.

Достаточно простые узлы КИС можно разместить на одной плат персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе коммутируются необходимые измерительные элементы, т. е. меняется архитектура построения системы.

Одним из элементов КИС является блок образцовых программно-управляемых мер напряжения, частоты и др. В качестве встроенных образцовых мер напряжения в КИС чаще всего применяются стабилитроны, температурный коэффициент напряжения которых составляет около 2,5... 10~⁵. Наиболее эффективным способом стабилизации опорного напряжения является термостатирование блока стабилитронов.

В КИС предусмотрена возможность определения индивидуальных функций влияния температуры на различные параметры виртуального прибора: дрейф нуля, сопротивление переключателей, коэффициенты передачи различных структурных элементов Непрерывный контроль температуры блоков позволяет автоматически корректировать возникшие погрешности измерения.