7.4. Виртуальные приборы

Виртуальные приборы относятся к пятому поколению информационно-измерительных систем и строятся на базе ПК с ис­пользованием современного программного и математического обеспе­чения.

ПК оснащен аппаратными средствами ввода-вывода сигналов и соответствующего программного обеспечения, которое определяет конфигурацию и функции системы. ПК работает в режиме реально­го времени и способен выполнять все функции специализированного оборудования, сохраняя гибкость и перенастраиваемость интерфейса. Специальная плата сбора данных (ПСД), устанавливаемая в слот ISA или PCI (или внешнее устройство), и внешние интерфейсы образуют виртуальный измерительный прибор.

Виртуальные приборы на базе ПСД, устанавливаемые в системный блок ПК, уже широко используются в устройствах сбора и обработки информации, в контрольно-диагностических и измерительных систе­мах для промышленных и лабораторных приложений.

Виртуальный прибор можно успешно использовать для ре­шения целого ряда измерительных задач на одном ПК. Для это­го достаточно лишь подобрать программное обеспечение и платы сбора данных в соответствии с техническими требованиями экс­перимента. Необходимую часть виртуальных приборов составляет программа — интерфейс человека с ПК и с самим прибором. Эта программа поддерживает следующие концепции программного обеспечения:

• программный интерфейс, внешне очень похожий на операционную систему Windows и использующий се возможности;

• программа, создающая лицевую управляющую панель стационар­ного автономного прибора.

Каждый из вариантов имеет свои достоинства и недостатки, и фир­ма предлагает реализацию виртуальных приборов обоих видов.

Рассмотрим прибор с интерфейсом, похожим на Windows. Такой подход допустим, если компьютер должен измерять параметры внеш­них аналоговых сигналов, а оператор неплохо разбирается в подклю­чении к ПК различных нестандартных измерительных устройств. В этом случае необходимо иметь несколько плат, включаемых соот­ветствующим образом.

Программное обеспечение, поставляемое вместе с ПСД, состоит из стандартных программ, драйверов и примеров программирования. Такой набор программ позволяет решать широкий круг прикладных задач по исследованию сигналов и сбору данных с различных датчи­ков и внешних устройств. Версии для Windows обладают удобным интерфейсом и благодаря интеграции друг с другом и с другими при­ложениями Windows значительно облегчают получение результатов измерения и их документальное оформление в виде отчетов, графи­ков, диаграмм. Если этих стандартных программ недостаточно для решения конкретной задачи, то пользователь, умеющий хорошо прог­раммировать, создает более приспособленную для своей задачи прог­рамму. Здесь просто необходимы драйверы для управления платами и примеры программирования.

Существуют готовые виртуальные приборы, например осцилло­граф (рис. 7.2) и спектроанализатор (рис. 7.3) с возможностью сбора данных.

Рис. 7.2. Виртуальный осциллограф

Программа «Осциллограф» позволяет видеть сигнал, измеряемый с помощью АЦП, в реальном времени и производить спектральный анализ собранных данных. В верхней части окна программы сосредо­точены основные элементы управления ее работой и отображением данных. Большинство элементов управления снабжены всплывающи­ми подсказками. Программа обеспечивает выбор частоты дискретиза­ции, размера блока измеряемых данных и числа каналов, синхрони­зацию устройств без аппаратной синхронизации, поддержку режима аппаратной синхронизации, поддержку некоторых специфических функций устройств (кадровый сбор, включение внешней частоты дис­кретизации), сохранение файлов с данными «как есть» и в форматах ASCII и WAV, воспроизведение сохраненных данных из файлов с дан­ными «как есть» и в формате WAV.

Как любое измерительное устройство, программа «Осциллограф» снабжена осями (шкалами). Вертикальная ось слева градуирована в единицах младшего значащего разряда АЦП или вольтах, которые отображаются в левом верхнем углу окна осциллографа. Нижняя гори­зонтальная ось может быть градуирована по числу измеренных точек или в единицах времени (секундах, милли-, микро-, наносекундах). Единица измерения горизонтальной оси приводится в левом нижнем углу окна осциллографа. На осях подписываются значения, соответ­ствующие текущему активному каналу. При этом надписи па верхней горизонтальной оси соответствуют точкам в районе курсора. Значе­ние в точке, над которой расположен курсор, подсвечивается прямоу­гольником того же цвета, что и текущий активный канал. Для удобства оценки промежуточных значений оси, кроме крупных клеток, имеют­ся по девять засечек на каждую такую клетку.

Рис. 7.3. Окно спектроанализатора (а) и спектр квазигармонического сигнала (б)

Графическая часть — основная для Осциллографа, и там отобража­ется в реальном времени график сигнала, подаваемого на вход или вхо­ды платы. Графическая часть может быть разделена по горизонтали на две части двойным щелчком мыши. В верхней части графики сигналов отображаются в нормальном виде, а в нижней — в увеличенном. При этом в зону увеличенного просмотра попадает та часть графика, ко­торая находится внутри выделенного квадратика. Его размер можно изменять, передвигая мышь и удерживая нажатой ее правую кнопку, а положение — перемещая мышь и удерживая нажатой ее левую кноп­ку. Двойное нажатие левой кнопки мыши возвращает окно осцилло­графа в нормальный режим.

В режиме анализа спектра сигнала горизонтальная ось градуирует­ся в килогерцах, вертикальная — в децибелах. Для просмотра парамет­ров спектра квазигармонического сигнала (см. рис. 7.3, б) необходимо маркерами Ml и М2 выделить участок спектра, содержащий, напри­мер, основную гармонику.

Программа «Генератор» предназначена для управления платой аналогового вывода ЛА-ЦАПн 10 и совместно с ней образует виртуаль­ный прибор, который по своим функциональным возможностям соот­ветствует приборам класса генераторов сигналов специальной фор­мы (группа Г6). Генератор позволяет формировать синусоидальные, прямоугольные, треугольные и более сложные выходные сигналы. Сигналы генерируются за счет последовательного вывода временных отсчетов сигналов, записанных в циклический буфер памяти платы. Взаимодействие с программой происходит только в моменты измене­ния этого буфера при записи в него нового сигнала, считываемого из файла и формируемого программно.

Режим генерации канала изменяется только тогда, когда изменяется состояние какого-либо относящегося к нему управляющего элемента. После запуска генератора открывается его главное окно, графически выполненное в виде приборной панели (рис. 7.4). Управление генера­тором осуществляется через это окно, а также через дополнительные диалоговые окна, открывающиеся через меню главного окна.

Примерами виртуальных вольтметров с Windows-интерфейсом (рис. 7.5) могут служить программы для управления платами ЛА-н10 и ЛА-и24. Эти виртуальные приборы предназначены для измерения среднеквадратичного значения напряжения в диапазоне частот до 50 МГц в двухканальном режиме и 1 кГц — в трехканальном.

Рис. 7.4. Виртуальный генератор сигналов специальной формы

Рис. 7.4. Вольтметр с Windows-интерфейсом

Все описанные виртуальные приборы удобны и просты в кправлении для тех, кто постоянно работает с компьютером. Для начинающих пользователей компьютеров созданы стандартные измерительныне приборы, подключать и применять которые не сложнее, чем обыч­ные стандартные устройства. Примером могут служить виртуальные приборы, имеющие прототипы среди стационарных приборов и очень похожий программный интерфейс: осциллограф, спектроанализатор и вольтметр.

Виртуальные приборы максимально просты в управлении и имеют те же панели, расположенные в тех же местах, те же органы управления, что и обычные приборы-аналоги. Графический интерфейс программы создает переднюю панель известного измерительного прибора. В прог­рамме вольтметра стандартного типа (рис. 7.6) с платой ЛА-н10 для начала работы необходимо только установить переключатели в нуж­ное положение и начать измерять входные сигналы по двум каналам.

Рис. 7.6. Виртуальный вольтметр стандартного типа

Таким образом, наличие двойного подхода к программному интер­фейсу виртуальных приборов позволяет пользователям с разной ква­лификации полностью использовать возможности устройств с АЦП, ЦАП или цифровыми входами-выходами для решения измеритель­ных задач.

Достоинством виртуальных приборов по сравнению с микропро­цессорными является доступ пользователя к обширным объемам при­кладных программ, возможность использовать внешнюю память большой емкости и различные устройства документирования результатов измерений. Кроме того, использование виртуальных приборов эконо­мически эффективно, так как любая ПСД и программное обеспечение обработки измерительной информации дешевле любого измеритель­ного прибора.