Komputerowe systemy pomiarowe. Dr inż. Janusz MIKOŁAJCZYK

Transkrypt

1 Komputerowe systemy pomiarowe Dr inż. Janusz MIKOŁAJCZYK

2 Tematyka wykładu: - system pomiarowy, - akwizycja sygnału, - interfejsy pomiarowe, - oprogramowanie

3 Rozwój przyrządów pomiarowych Rozwój przyrządów pomiarowych (4 generacje): 1. analogowe (sterowane ręcznie z płyty czołowej), 2. cyfrowe (ręczne sterowanie, odczyt cyfrowy), 3. systemowe (zdalne sterowanie z komputera), 4. wirtualne (oprogramowany komputer + przyrządy systemowe lub urządzenia pomiarowe nowej generacji. np. karty typu.plug in.).

4 Komputeryzacja Umożliwia: wykonanie pomiarów, łącznie z ich opracowaniem, w cyklu automatycznym zgodnie z opracowanym algorytmem (programem) działania, znaczne skrócenie czasu pomiarów zwiększenie dokładności pomiarów prowadzenie pomiarów w miejscach niedostępnych, niebezpiecznych, w warunkach szkodliwych dla człowieka, bieżącą kontrolę i sterowanie badanych obiektów bezpośrednie włączenie procesu pomiarowego w cykl produkcyjny

5 Podział współczesnych przyrządów pomiarowych Przyrządy specjalizowane jednofunkcyjne i wielofunkcyjne. Przyrządy współpracujące z komputerem komputer jako interfejs pomiędzy użytkownikiem a przyrządem. Systemy komputerowe komputer zaangażowany w proces przetwarzania sygnałów pomiarowych, procesy sterujące, komunikację z użytkownikiem. Przyrządy wirtualne oprogramowanie komputerowe, współpracujące z układem pomiarowym.

6 System pomiarowy System pomiarowy - zbiór urządzeń i programów mających na celu realizację określonego procesu poznawczego, którego zadaniem jest ocena badanego obiektu lub wyznaczenie parametrów jego modelu

7 Schemat funkcjonalny systemu pomiarowego Urządzenia akwizycji: Modułowe ( karty AC, moduły systemu VXI, PXI, FieldBus itp. ) Autonomiczne ( przyrządy pomiarowe multimetry, oscyloskopy itp. ) Urządzenia stymulacji: Modułowe ( karty CA, moduły systemu VXI, PXI, FieldBus itp. ) Autonomiczne ( przyrządy pomiarowe generatory, zasilacze itp. ) Kontroler systemu: Realizuje algorytm procesu pomiarowego; zbierania danych ( a więc sterowania urządzeniami akwizycji danych oraz stymulacji ), przetwarzania danych i prezentacji wyników.

8 Schemat funkcjonalny systemu pomiarowego - blok komunikacji z użytkownikiem pozwalający na wprowadzanie i wyprowadzanie informacji; w systemach komputerowych wprowadzanie informacji odbywa się przy pomocy klawiatury, myszki lub innych urządzeń służących do komunikacji z komputerem, a wyprowadzanie informacji najczęściej przy pomocy ekranu monitora, ale też przy pomocy rejestratorów cyfrowych, - blok sterujący jest odpowiedzialny za realizację złożonego algorytmu działania systemu pomiarowego; może on działać według stałego algorytmu pomiarowego (sterowniki układowe) lub według programu realizowanego przez procesor cyfrowy, - blok generacji sygnałów może być wykorzystany w przypadku, gdy zachodzi konieczność wytworzenia sygnałów wymuszających, odniesienia, sterujących lub wyprowadzenia wyników pomiarów w formie analogowej, - czujniki pomiarowe umożliwiające odbiór informacji z obiektu fizycznego, którego parametry podlegaj identyfikacji w procesie pomiarowym, - blok akwizycji sygnałów pośredniczy pomiędzy czujnikami pomiarowymi a blokiem przetwarzania danych, odpowiada za zbieranie sygnałów pomiarowych i ich dyskretyzację, realizuje funkcje wstępnej normalizacji sygnału oraz przetwarzania analogowo cyfrowego, - blok przetwarzania danych, którego zadaniem jest cyfrowa obróbka sygnałów pomiarowych zgodnie z przyjętym algorytmem.

9 Klasyfikacja systemów pomiarowych

10 Kryteria oceny systemów pomiarowych szybkość uzyskiwania danych dokładność pomiaru (klasa przyrządu) wielkość urządzenia odporność na uszkodzenia ergonomia obsługi sposób zobrazowania wyników automatyka pomiarów (np. automatyczny dobór zakresów) wielofunkcyjność możliwość rozbudowy możliwość przechowywania danych pomiarowych niezawodność

11 Zadania systemu pomiarowego Proces lub obiekt badań Akwizycja danych Analiza danych Prezentacja danych Akwizycja danych to zbieranie sygnałów elektrycznych z czujników i przetworników, pomiar ich parametrów oraz wprowadzenie uzyskanych danych do komputera w celu ich dalszego przetworzenia.

12 Komputerowe systemy pomiarowe Akwizycja danych

13 Interfejsy urządzeń akwizycji danych : Rodzaje urządzeń : Karty DAQ do systemów komputerowych magistrala systemu komputerowego, np. PCI. Urządzenia pomiarowe autonomiczne interfejs RS232, IEC625/IEEE488, USB, Ethernet itd. Urządzenia systemów modułowych specyficzny interfejs danego systemu, np. VXI, PXI, FieldPoint itd.

14 Karty akwizycji danych Właściwości: instalacja bezpośrednio w PC, dostępne dla wielu popularnych komputerów z różnymi wewnętrznymi magistralami danych (ISA, EISA, PCI, PCMPCI,...), różne kombinacje analogowych, cyfrowych sygnałów wejściowych i wyjściowych, rozdzielczość 8 16 bitów, częstość próbkowania do 1 MHz, możliwość bezpośredniej transmisji do pamięci mikrokomputera (tryb DMA), w wielu typach kart: programowalna częstość próbkowania, metoda konwersji danych, czas zwłoki (opóźnienie), oddzielne wzmocnienie dla każdego kanału pomiarowego, na ogół współpraca z układem dopasowania danych (Signal Conditioning), możliwość programowania w wielu językach (C, Pascal, VisualBasic,...) pod Windows 95/NT/3.x, DOS,... oraz korzystania z fabrycznych programów (LabVIEW, LabWindows/CVI, Measure...), możliwość zakłócenia sygnałów pomiarowych szumami generowanymi wewnątrz mikrokomputera, stosunkowo niski koszt, ostatnie rozwiązania typu.plug and play.

15 Karty akwizycji danych

16 Karty akwizycji danych

17 Układ autonomiczny akwizycji sygnałów interfejs GPIB Generator funkcji Multimetr Typowy schemat systemu przyrządowego wykorzystującego interfejs IEC625/IEEE488.

18 Przyrząd autonomiczny (interfejs RS232): Typowy schemat systemu przyrządowego wykorzystującego interfejs RS 232.

19 Komputerowe systemy pomiarowe Interfejsy pomiarowe

20 Interfejs pomiarowy Interfejs to zespół środków zapewniających dopasowanie mechaniczne, elektryczne i informacyjne oraz ustalających funkcjonalne relacje pomiędzy fizycznie odrębnymi częściami systemu, zgromadzonymi w celu wymiany informacji między nimi. Podstawowymi elementami interfejsu są: kable, złącza, nadajniki linii, odbiorniki linii, linie sygnałowe, funkcje interfejsowe z opisem logicznym, zależności czasowe oraz sterowanie. Wymiana danych odbywa się przez kanał transmisyjny, którym może być np. przewód, światłowód, fale radiowe Pojęcie standardu interfejsu Poszczególne elementy składowe (bloki funkcjonalne) można połączyć w jeden system pomiarowy, jeżeli spełniają one tzw. warunki kompatybilności. Oznacza to: zgodność mechaniczną i konstrukcyjną gniazd przyłączeniowych oraz rozmieszczenia sygnałów w gnieździe zgodność parametrów elektrycznych poszczególnych sygnałów zgodność stosowanych kodów i protokołów komunikacyjnych zgodność metod transmisji danych.

21 Funkcje interfejsu konwersji polega na dostosowaniu typu danych w jednostce do typu danych stosowanego w kanale transmisyjnym (poziomy logiczne, kody, formaty wszystkich informacji). synchronizacji (ang. handshake) zapewnia synchronizację transmisji danych, uwzględnia ewentualne nieregularne lub przypadkowe opóźnienia w kanale transmisyjnym. przerwania pozwala na zatrzymanie normalnej komunikacji, aby umożliwić przesłanie specjalnych komunikatów, dotyczących zarządzania interfejsem. buforowania jest konieczna, gdy interfejs nie jest w stanie odbierać danych w sposób ciągły lub gdy kanał transmisyjny nie jest zawsze zdolny do transmisji danych w momentach, w których oczekuje tego odbiorca danych. zarządzania interfejsem zapewnia właściwe funkcjonowanie złożonych systemów interfejsu (inicjacja interfejsu, obsługa przerwań, zabezpieczenia przed przeciążeniem). korekcji błędów pozwala na korekcję błędów w danych, spowodowanych przez kanał transmisyjny.

22 Interfejs szeregowy RS-232 Powstanie 1962r.

23 Interfejs równoległy IEC-625 Magistrala IEC-625 Magistrala składa się z 16 linii sygnałowych - 8 linii danych, - 3 linie synchronizacji, - 5 linii sterowania - 9 linii masy. np. komputer PC np. klawiatura Kontroler Nadawca Odbiorca Nadawca Szyna danych Szyna synchronizacji np. woltomierz Nadawca Odbiorca Szyna sterowania np. drukarka, zasilacz Odbiorca

24 Standard VXI Standard VXI jest rozwijany od roku 1987: -wymaga znormalizowanych wymiarami eurokart (maksymalnie 13 modułów w jednej obudowie), -szybki, asynchroniczny przepływ danych w postaci słów 8-, 16- i 32- bitowych, - max. prędkość wynosi 40 MB /s

25 Magistrala szeregowa USB - wprowadzona do komputerów w 1995r., - wykorzystuje kabel czterożyłowy, dwa przewody sygnałowe i dwa przewody zasilania, - max. szybkość transmisji to 12 Mb/s, a w wersji USB Mb/s. - łatwa rozbudowa przy pomocy koncentratorów dołączenie do 127 urządzeń, - dodając HUBy można ją rozbudować.

26 Magistrala FireWire (IEEE1394,i-Link) - wprowadzona przez firmę Apple Computer w 1986 r. - czteroprzewodowa (dwa przewody sygnałowe i dwa przewody zasilana) - max. liczba urządzeń 64, - szybkość transmisji wynosi 100Mb/s, 200mb/s, 400Mb/s - a nawet do 3200 Mb/s dla magistrali w wersji IEEE1394b. - umożliwia połączenie urządzeń o różnych prędkościach, - umożliwia bezpośrednie podłączenie/wyłączenie urządzenia

27 Połączenie PCI Express - prędkość 2,5 Gb/s. - prędkość zachowana dla każdego kanału pomiarowego karty, - umożliwia bezpośrednie podłączenie/wyłączenie urządzenia - wersja dla serwerów i noteboków SIOM i ExpressCard.

28 PXI/CompactPCI - połączenie kilku urządzeń w magistralę PCI, - zintegrowane sygnały taktowania i wyzwalania, - możliwość synchronizacji zewnętrznej urządzeń z magistrali układu PXI

29 Połączenie PCI Express - szybki transfer 1,056 Mb/s, - częstotliwość próbkowania 1.25 MS/s i 10 MS/s. - sloty PCI oferują 32-bit transfer, a nawet 64-bit. - starsze wersje zapewniają pracę częstotliwością 33 MHz, -Są zasilane napięciem 5 V lub 3.3 V - najnowsza wersja PCI-X umożliwia transfer z prędkością 133 MHz

30 Połączenie Ethernet - oferuje prędkość 10 Mbits/s koncentryk, - a nawet 1 Gbits/s. - tani

31 Wersje 10 Mbit/s 10BASE2 zwany też ang. ThinNet, Cheapernet lub "cienki koncentryk" - używa kabla koncentrycznego o średnicy ok. 5 mm. Fast Ethernet [100Base-TX - podobny do 10BASE-T, ale z szybkością 100Mb/s. Wymaga 2 par skrętki kategorii 5. Obecnie jeden z najpopularniejszych standardów sieci opartych na 'skrętce'. Gigabit Ethernet 1000BASE-T - 1 Gb/s na kablu miedzianym -popularnej skrętce kat. 5 lub wyższej. 10 Gigabit Ethernet10GBASE-SR - 10 Gb/s przeznaczony dla światłowodów wielomodowych o maksymalnym zasięgu od 26 do 82 m (przy 850nm) 100 Gigabit Ethernet 23 listopada 2006 r. naukowcy z IEEE rozpoczęli prace nad opracowaniem technologii, która umożliwiałaby wprowadzenie nowego standardu sieci Ethernet o prędkości do 100 Gb/s.

32 Połączenie PCMCIA - prędkość 20 Mbits/s - platforma przenośna, - brak DMA

33 Połączenie CompactFlash CompactFlash Data Acquisition for PDAs - technologia zminiaturyzowana, mobilna - 4 wejścia analogowe, - rozdzielczość 14-bit, - częstotliwość próbkowania na jeden kanał 200 ks/s

34 Interfejs równoległy Centronics - składa się z: 8 linii danych, 4 linii sterujących i 5 linii statusu. - nie zawiera linii zasilających - zapewnia transmisję na odległość max.do 5m, jeśli przewody sygnałowe są skręcane z przewodami masy, - maksymalna prędkość ok. 2MB/s. - nie oferuje funkcjonalności hot plug - odłączenie kabla od portu przy włączonym zasilaniu w niektórych przypadkach spowoduje uszkodzenie układu odpowiedzialnego za transmisję równoległą.

35 Transmisja bezprzewodowa - połączenie IrDA - odległość do 3 m (typowo 1m) - maksymalna szybkość transmisji do 16 Mb/s.

36 Transmisja bezprzewodowa - połączenie Bluetooth - wykorzystuje pasmo 2.4 GHz, zwane ISM (ang. Industry, Science and Medicine). - transmisja danych z prędkością do 1Mb/s na odległość do 10 m, lub po zastosowaniu dodatkowego wzmacniacza do 100 m. - każde z urządzeń Bluetooth ma własny 32 bitowy adres, - połączenia są realizowane w trybie master slave. - dwa typy transmisji danych asynchroniczną i synchroniczną. - transmisja asynchroniczna pozwala na asymetryczne połączenie w jednym kierunku (721 kb/s) i 57.6 kb/s w kanale zwrotnym oraz symetryczne w obu kierunkach (432.6 kb/s.) - transmisja synchroniczna odbywa się w trzech równoległych kanałach, każdy o 57.6kb/s.

37 Systemy pomiarowe z wykorzystaniem radiomodemów - umożliwiają transmisję danych na odległość od ok. 100 m do 100 km. - wykorzystują wybrane pasma częstotliwości dla radiokomunikacji przemysłowej i wymagają zezwolenia Państwowej Agencji Radiokomunikacji (PAR). - zezwolenie nie jest wymagane dla nadajników o mocy mniejszej od 20 mw w paśmie 800MHz.

38 Systemy pomiarowe z wykorzystaniem radiomodemów Radio Transceiver - Europe Single channel, synthesised transceiver Frequency MHz, 250KHz channel Transmit Power 500mW RSSI -60 to -120 dbm Expected line-of-sight range, 5 km at bits/sec RF Data Transmission Rate baud, baud, baud Antenna connection is SMA coaxial Serial Port standard data rates 1200 to baud. RS232 and RS485 standard interface connections provided, characters supported 7 or 8 data bits, even/odd/no parity, 1 or 2 stop bits

39 Systemy pomiarowe z wykorzystaniem telefonii komórkowej GSM Przesyłanie danych można realizować 1. Transmisja bez zestawiania połączeń SMS. Transmisja umożliwia realizację usługi SMS (ang. Short Message Service), czyli przesyłania krótkich komunikatów alfanumerycznych o długości do 160 znaków do innych stacji ruchomych. Zaleta - pewność, że dane dotrą do adresata, wada-nieokreślony czas dotarcia danych. 2. Transmisja z komutacją łączy (w skrócie transmisja komutowana). - SDT (ang. Switched Data Transfer) - w jednym kanale rozmównym, 9.6 kb/s. - HSCD (ang. High Speed Circuits Switched Data) wielokanałowa transmisja w jednym do czterech kanałów od 14.4 kb/s przy wykorzystaniu jednego kanału rozmównego do 57.6 kb/s z wykorzystaniem czterech kanałów. 3. Transmisja z komutacją pakietów (w skrócie transmisja pakietowa). Umożliwia realizację usługi GPRS (ang. General Packed Radio Service), czyli nadawania i odbioru pakietów danych z adresem internetowym w nagłówku. Maksymalna prędkość transmisji danych wynosi kb/s. Zaletą - koszt proporcjonalny do liczby przesyłanych danych, a nie do czasu połączenia.

40 Systemy pomiarowe z wykorzystaniem telefonii komórkowej GSM -supports up to 10 users. -has four 1 Amp Open Collector Outputs controlled with SMS messages from approved users. -has four inputs that can be independently configured as: * 4-20mA 10 bit Analog Inputs * 0-5 Volt 10 bit Analog Inputs * Voltage-free Clean-contact Digital Inputs

41 Czujniki inteligentne

42 Czujniki inteligentne

43 Przykłady

44 Przykłady

45 Przykłady

46 Przykłady

47 Przykłady

48 Przykłady

49 Komputerowe systemy pomiarowe Oprogramowanie

50 Oprogramowanie systemów pomiarowych Oprogramowanie - zapisany w odpowiednim języku programowania algorytm działania systemu pomiarowego, który obejmuje częstotliwość i kolejność wykonywania pomiarów, akwizycję danych, analizę, przetworzenie i przedstawienie wyników w wygodnej dla użytkownika formie wykresów lub tabel. Etapy rozwoju oprogramowania: 1. programowanie niskopoziomowe (asembler) 2. programowanie wysokopoziomowe (język C, Basic, Pascal) 3. opracowanie standardu SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) 4. graficzne środowiska programowania (LabWindows, LabView, TestPoint)

51 Oprogramowanie systemów pomiarowych-przykład LabVIEW jest oprogramowaniem służącym do tworzenia wirtualnych przyrządów pomiarowych przyrządów działających na ekranie komputera. Współpracuje z różnymi typami kart pomiarowych. Możliwość pomiarów przy użyciu: gotowych układów pomiarowych (wczytanych z pliku) samodzielnie zbudowanych układów pomiarowych układy budowane są z dostępnych bloków funkcjonalnych, przy użyciu interfejsu graficznego.

52 Oprogramowanie systemów pomiarowych-przykład LabVIEW

53 Oprogramowanie systemów pomiarowych-przykład VEE

54 Oprogramowanie systemów pomiarowych-przykład TestPoint