Laboratorium - Systemy akwizycji danych pomiarowych semestr zimowy 2017/18

Transkrypt

1 Laboratorium - Systemy akwizycji danych pomiarowych semestr zimowy 2017/18 Wykaz ćwiczeń laboratoryjnych: 1. Wprowadzenie. Zapoznanie ze środowiskiem sprzętowym i programowym laboratorium A Rejestracja sygnałów pomiarowych systemowych przyrządów kontrolno pomiarowych pracujących pod kontrolą interfejsów IEEE-488 i Ethernet 3. Rejestracja sygnałów pomiarowych w systemie Personal DAQ3000 w środowisku oprogramowania IOTech, MatLab i LabVIEW 4. Rejestracja sygnałów pomiarowych w systemie DAQ LAB 2000 w środowisku oprogramowania IOTech, MatLab i LabVIEW 5. Rejestracja sygnałów analogowych w środowisku LabView przy wykorzystaniu modułu kontrolno-pomiarowego z interfejsem USB (NI DAQ- 6015, USB X series) 6. System kontrolo-pomiarowy real-time z magistralą PXI i SCXI 7. Zaliczenie - 1 -

2 Ćw. 2. Rejestracja sygnałów pomiarowych systemowych przyrządów kontrolno pomiarowych pracujących pod kontrolą interfejsów IEEE-488 i Ethernet Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z zasadami obsługi systemowych przyrządów kontrolno-pomiarowych, ich interfejsami (RS232C, USB, GPIB, TCP/IP) i językami programowania przyrządów systemowych (SCPI) Program ćwiczenia: 1. Zapoznać się z parametrami technicznymi multimetru Agilent 34410A: a. parametry metrologiczne (ogólne dane techniczne, związane z przetwarzaniem napięć stałych DC, napięć zmiennych AC, rezystancji, pojemności, częstotliwości), b. schematy blokowe i zasada współpracy przyrządów systemowych pracujących z wykorzystaniem interfejsów komunikacyjnych, c. protokołami komunikacyjnymi przyrządów (SCPI) 2. Zapoznać się z parametrami technicznymi generatora Agilent 33220A: a. parametry metrologiczne, funkcje przyrządu, b. schematy blokowe i zasada współpracy przyrządów systemowych pracujących z wykorzystaniem interfejsów komunikacyjnych, c. protokołami komunikacyjnymi przyrządów (SCPI) 3. Zapoznać się z obsługą przyrządów w trybie sterowania lokalnego. 4. zaprogramować ustawienia generatora A33220A do generacji serii N impulsów wyzwalających (np. 5) o odpowiednim poziomie napięciowym (wyzwalanie multimetru A34410A) ze stałym interwałem czasowym repetycji Tr (2s). OPrzebiegi zaobserwować i udokomuntować przy pomocy oscyloskopu cyfrowego. 5. Uruchomić interaktywną zdalną obsługę przyrządów przy wykorzystaniu protokołu SCPI w standardzie Telnet wykorzystując port komunikacyjny 5024 a. wykonać i zarejestrować odpowiedź przyrządów na podstawowe polecenia SCPI z pojedynczym wyzwalaniem b. wykonać i zarejestrować odpowiedź przyrządów na podstawowe polecenia SCPI z wyzwalaniem pomiaru sygnałem zewnętrznym (generator 33220A: 6. Zweryfikować zdalną obsługę przyrządów pomiarowych w środowisku Agilent Suite (zaobserwować i przyporządkować odpowiednie interfejsy przyrządów) 7. Zweryfikować zdalną obsługę przyrządów pomiarowych przy wykorzystaniu interfejsu sieciowego WEB Interface. 8. Przeprowadzić akwizycję danych pomiarowych uzyskanych z przetwarzania sygnału pomiarowego (rezystancyjny sygnał czujnika oświetlenia): a. ustalić warunki wyzwalania, jeżeli chwilowa wartość sygnału przekroczy zadaną wartość R0 b. ustalić warunki przetwarzania (częstotliwość, źródło sygnałów synchronizacyjnych, czas rejestracji) (zadaje prowadzący) c. ustalić format rejestrowanych danych, d. ustalić warunki przechowywania danych w przyrządzie pomiarowym 9. Przeprowadzić analizę zarejestrowanych danych (okres, częstotliwość, Umax, Umin ) 10. Wnioski - 2 -

3 Literatura: 1. User s Guide Agilent 34410A/11A 6 ½ Digit Multimeter 2. Agilent 34410A/11A Command Quick Reference 3. User s Guide Agilent 33220A 4. P.Lesiak, D.Świsulski: Komputerowa Technika Pomiarowa, Agenda Wydawnicza PAK, Marzec D.Świsulski: Laboratorium z Systemów Pomiarowych, Politechnika Gdańska, Materiały pomocnicze do laboratorium 7. Instrukcja techniczna obsługi przyrządów - 3 -

4 Ćw. 3. Rejestracja sygnałów pomiarowych w systemie Personal DAQ3000 w środowisku oprogramowania IOTech, MatLab i LabVIEW Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z zasadami obsługi systemowych przyrządów kontrolno-pomiarowych pracujących pod kontrolą interfejsu USB. Program ćwiczenia: 1. Zapoznać się z dokumentacją techniczną modułu pomiarowego Personal DAQ3000: a. budowa, schemat blokowy i funkcjonalny b. parametry techniczne: i. liczba i rodzaj kanałów pomiarowych ii. warunki wyzwalania pomiarów 2. Zapoznać się z obsługą programu DaqView (środowisko producenta IoTech) a. ustalanie kanałów pomiarowych i sterujących b. warunki wyzwalania pomiarów c. sygnał i częstotliwość zegara wyzwalania (próbkowanie) d. warunki rejestracji 3. Przeprowadzić rejestrację danych pomiarowych sygnału napięciowego uzyskanego z generatora (np. FG503 fg=25khz, A=1V, UDC=2V) dla dwóch częstotliwości próbkowania f1=50khz i f2=150khz przy Tobs=2s. a. proces rejestracji przeprowadzić z zapisem do pliku w postaci binarnej i tekstowej, b. porównać wartości z obu plików dla próbki Nr=100 i Nr=200 zarejestrowanych danych 4. Zapoznać się z obsługą modułu pomiarowego w środowisku MatLab R2012a toolbox Data Acquisition % Data Acquisition Toolbox clear all fprintf(' Data Acq (iotech.m) '); daqreset out = daqhwinfo out.installedadaptors out = daqhwinfo('iotdaq') out.boardnames ai = analoginput('iotdaq', 2) out = daqhwinfo(ai) ai.inputtype='differential'; % addchannel(ai, [0:0]); addchannel(ai, 0:1) ai.channel.inputrange(1)=[-5;5]; ai.samplespertrigger = 4000; % ai.inputtype='singleended'; ai.samplerate = ; ai start(ai) data = getdata(ai); plot(data) delete(ai) clear ai - 4 -

5 5. Przeprowadzić weryfikację konfiguracji, ustalić warunki przetwarzania (kanały pomiarowe, rodzaj przetwarzania, zasady wyzwalania, częstotliwość przetwarzania, czas obserwacji, format przechowywanych danych, zapis wyników przetwarzania bezpośrednio do zadanego obszaru RAM (zmienna programowa) i do pliku w zadanym formacie) 6. Przeprowadzić proces akwizycji danych dla sygnału napięciowego uzyskanego z generatora (warunki ustala prowadzący ćwiczenia) i przeprowadzić wstępną interpretację uzyskanych danych pomiarowych - 5 -

6 Ćw. 4. Rejestracja sygnałów pomiarowych w systemie DAQ LAB 2000 w środowisku oprogramowania IOTech, MatLab i LabVIEW Cel ćwiczenia: Przeprowadzenie wielokanałowej (2 kanałowej) akwizycji sygnałów analogowych z jednoczesnym próbkowaniem. Sprzęt, oprogramowanie, warunki przeprowadzenia rejestracji. Akcesoria: System akwizycji danych pomiarowych DaqLab/2000 Series (DBK17 4-Channel Simultaneous Sample and Hold Card) Program ćwiczenia: Zapoznać się z budową i podstawowymi parametrami systemu DaqLab/2000 Series; Zapoznać się z budową i podstawowymi parametrami modułu DBK17 (4-kanałowego modułu jednoczesnego próbkowania); Zapoznać się z obsługą programu obsługi DAQVIEW; Przeprowadzić procedurę konfiguracji oraz weryfikacji pracy modułów; Zestawić układ pomiarowy do badań DaqLab/2000 wykorzystując generator sygnałów testowych; Przeprowadzić analizę sygnałów wejściowych przy pomocy oscyloskopu analogowego, określić warunki podłączenia sygnałów do modułu pomiarowego (wybór wejścia symetrycznego/niesymetrycznego, polaryzacja sygnałów wejściowych, zakres wzmocnienia sygnałów); Określić warunki przeprowadzenie rejestracji sygnałów: czas obserwacji, częstotliwość próbkowania, liczba próbek na kanał obserwacji, dobór zegara systemowego; Określić warunki wyzwolenia pomiaru (tryger), ustalić założenia związane z wyprzedzeniem lub opóźnieniem procesu wyzwolenia; Określić warunki wstępnego przetwarzania sygnałów uśrednianie, decymacja jak zmienią się warunki próbkowania jeżeli założymy proces wstępnego uśredniania N=100? Określić warunki rejestracji sygnałów do plików wybór formatu danych, określenie wstępne rozmiarów plików (rejestrację przeprowadzić w 2 trybach: a) rejestracja do pliku w formacie tekstowym (ASCII); b) rejestracja do pliku w wybranym formacie binarnym; Ustalenie warunków wizualizacji kontrolnej; Uruchomienie oprogramowania do oceny i wizualizacji zarejestrowanych danych w postprocesie (POSTVIEW), prezentacja i analiza wyników pomiaru; Przygotowanie protokołu z wynikami pomiarów; - 6 -

7 Ćw. 5. Rejestracja sygnałów analogowych w środowisku LabView przy wykorzystaniu modułu kontrolno-pomiarowego z interfejsem USB (NI DAQ-6015, USB X series) Cel ćwiczenia: Zapoznanie z podstawowymi własnościami precyzyjnych kart (modułów) kontrolno-pomiarowych oraz wykorzystanie ich w środowisku programistycznym LabVIEW f-my National Instruments do akwizycji wolno i szybkozmiennych sygnałów pomiarowych, procedur skalowania wyników pomiarowych, definiowania zadań pomiarowych, zaawansowanych metod obsługi kart pomiarowych (przesłania DMA, obsługa przerwań, przetwarzanie wielokanałowe). Problemy teoretyczne: Podstawy architektury kart kontrolno-pomiarowych z interfejsem USB na przykładzie modułu NIDAQ-6015 lub USB X series Teoria próbkowania i kwantowania sygnałów analogowych, Zasada działania przetwornika A/C z równoważeniem wagowym (sukcesywna aproksymacja). 1. Zapoznać się z budową oraz podstawowymi parametrami technicznymi modułu kontrolnopomiarowego NIDAQ-6015 ze szczególnym zwróceniem uwagi na: 1. interfejs magistrali komputerowej, adres bazowy karty, kanały DMA, kanały przerwań, 2. schemat blokowy karty kontrolno-pomiarowej, 3. wejście sygnałów analogowych, konfiguracja trybów pracy układów wejściowych, polaryzacja sygnałów wejściowych, zakres zmian sygnałów wejściowych, multipleksowanie sygnałów analogowych, metody wyzwalania przetwornika, listwa zaciskowa sygnałów we/wy karty. Rozpoznać sposób podłączenia sygnałów do listwy zaciskowej, schemat podłączeń zamieścić w sprawozdaniu. 5. charakterystyka sygnałów wejściowych liczba i typ kanałów pomiarowych, typ przetwornika A/C, rozdzielczość przetwarzania, szybkość próbkowania (gwarantowana), zakres znamionowych i maksymalnych zmian analogowych sygnałów wejściowych, rodzaj sprzężenia wejścia, zabezpieczenie przeciw-przepięciowe, rozmiar bufora FIFO, organizacja transferu danych (DMA, przerwania, programowe operacje WE/WY), konfiguracja i rozmiar pamięci RAM charakterystyki przetwarzania: dokładność przetwarzania, błąd wzmocnienia i przesunięcia zera itp. charakterystyki wzmacniaczy wejściowych, charakterystyki dynamiczne, stabilność. 6. charakterystyka sygnałów wyjściowych, 2. Podstawowe własności kart typu AT-MIO: 1. konfiguracja obwodów wejściowych dla sygnałów analogowych (tryby pracy: DIFF, RSE i NRSE), 2. polaryzacja i zakres zmian sygnałów analogowych, 3. dithering zwiększanie rozdzielczości przetwarzania przez dodawanie białego szumu Gausowskiego do sygnału wejściowego o wartości 0.5 LSB RMS 4. problematyka przetwarzania wielokanałowego scaning, - 7 -

8 5. konfiguracja obwodów wyjściowych analogowego wyjścia, 6. problematyka wyzwalania przetwarzania analog triggering, funkje modułu DAQ- STC, sterowanie poziomem i czasowe sygnałów wyzwalających (DAQ-STC i RTSI) 3. Zapoznanie się z program konfiguracji środowiska pomiarowego: Measurement & Automation Explorer w skrócie MAX 4.x Nasz system My system Konfiguracja karty w środowisku systemu operacyjnego Windows XP/7 Definicja kanałów pomiarowych - Data Neighborhood o Opis wirtualnego kanału pomiarowego Wprowadź nazwę kanału pomiarowego i jego krótki opis, Wybierz typ czujnika pomiarowego który najlepiej Ci odpowiada (Voltage), Zdefiniuj jednostki i zakres pomiarowy (możliwość wyboru notacji naukowej lub stałopozycyjnej) Zdefiniuj metodę skalowania wyników pomiarowych (bez skalowania, mapa zakresów, nowa skala pomiarowa -> nazwa skali, krótki opis, rodzaj skali (liniowa, wielomianowa, tablicowa) Określ typ urządzenia akwizycji danych pomiarowych (Dev_1: AT-MIO- 16XE-50), wybierz numer kanału pomiarowego związany z numerem zacisku oraz tryb pracy obwodów wejściowych (wejście różnicowe (differential), niesymetryczne jednoprzewodowe (referenced single ended), niesymetryczne dwuprzewodowe (nonreferenced single ended) Urządzenia i interfejsy - Devices and Interfaces Przyrządy wirtualne - IVI Instruments, (pomijamy) Skale pomiarowe Scales o w ćwiczeniu należy zdefiniować skalę pomiarową związaną z tłumieniem sygnału wejściowego z przesunięciem skali o stałą wartość DC=-1V oraz tłumiącego sygnał 2-krotnie, dobrać parametry dla skali liniowej: y=mx+b, Oprogramowanie Software (pomijamy) Zdalne systemy - Remote Systems (pomijamy) 3. Procedury testu urządzenia na poziomie programu MAX 5.x. Funkcje: TEST Panel Wybrać zakładkę Analog output i dokonać ustawień: o tryb wyjścia: generator sinusoidy, o selekcja kanału: 0 o amplituda sinusoidy: 5V, o szybkość uaktualniania kanału: 1000prb/sek o uruchomić proces generacji sinusoidy: Start sine generator o zweryfikować status działania generatora: last error Wybrać zakładkę Analog input i dokonać ustawień: o wybrać numer testowanego kanału pomiarowego (zrealizować testy dla sygnału zewnętrznego kanał 0, oraz kanału analogowego nr 7 i nr 15 (dlaczego akurat takie numery kanałów?) o przetestować tryby pracy przetwornika: wykres pasmowy strip chart, jednorazowy - one shot, ciągły continuous, tryb skali Y, dobór szybkości próbkowania do bieżących warunków, ogranicznik amplitudy sygnałów input limits, o opisać wyżej zaobserwowane stany pracy przetwornika

9 4. Prosta rejestracja sygnałów analogowych w aplikacji LabVIEW. Uruchomić program LabVIEW, wybrać opcję: Find examples, następnie w trybie browse wybrać zakładki: Hardware Input and Output, DAQ Analog Input General Acquire N Scans.vi zapoznać się z konstrukcja budowy oprogramowania w LabWIEW: widok panelu i widok diagramu zmieniamy klawiszem CTRL-E, w widoku panelu wybrać urządzenie (zgodnie z zadeklarowanym wcześniej systemie MAX), wybrać numer/nazwę kanału pomiarowego (zgodnie z deklaracją w programie MAX), liczbę próbek do akwizycji - number of scans to acquire ( ), szybkość próbkowania scan rate (dobrać tak aby zabezpieczyć w nszych założeniach około 100 próbek na okres zmienności sygnału wejściowego), uruchomić aplikację: klawisz, zaobserwować przebieg zmienności zarejestrowanego sygnału, porównać z przebiegami obserwowanymi na ekranie oscyloskopu, poprzez schowek przenieść wartości numeryczne kilkunastu próbek badanego sygnału do pliku notatnika, zapoznać się z diagramem programu, schemat i opis diagramu zamieścić w sprawozdaniu, 5. System rejestracji wolnozmiennych sygnałów do pliku. W tym celu uruchomić aplikację LabVIEW, potem DAQ Solutions, kontynuuj: Program the input scaling and conversion myself, kontynuuj: Solutions Gallery (Recommendd), a) z poziomu: Galery Categories wybierz: Data Logging b) z poziomu: Common Solutions wybierz kolejno: Advanced Data Logged a w następnej kolejności: Advanced Data Reader. c) po zaakceptowaniu rodzaju urządzeń i numerów/ nazw kanałów pomiarowych otwórz apilkację: d) Advanced Data Logged: wybierz numer urządzenia odpowiadający badanej karcie kontrolno-pomiarowej, liczbę znaków po przecinku rejestrowanej próbki pomiarowej - Digits of Precision, szybkość próbkowania zadaną następująco: Time Between Points (HH:MM:SS), rejestrowane kanały pomiarowe Channels, unikalny nagłówek pliku - File Header Text, e) dokonać rejestracji 2-minutowej wolnozmiennego sygnału pomiarowego (np. sygnał sinusoidalny o częstotliwości 100mHz), wybrać unikalną nazwę rejestrowanego pliku i skierować go do folderu:...\sadp\lxx\ (Lxx- numer grupy laboratoryjnej), f) otworzyć aplikację: Advanced Data Reader i pod jej kontrolą dokonać weryfikacji zarejestrowanych danych. g) dokonać próby otwarcia zarejestrowanego pliku w innych aplikacjach systemu Windows, h) opisać format zarejestrowanych danych. 6. Przy wykorzystaniu systemu LabVIEW przeprowadzić analizę sygnałów wyjściowych generatora sygnałowego G-432, a) uruchomić system LabVIEW b) wybrać opcję DAQ Solution Analizator widma (Spectrum analyzer) c) ocenić parametry sygnału sinusoidalnego o f=1hz U=5Vp-p d) ocenić parametry sygnału sinusoidalnego o f=1khz U=5Vp-p e) dostosować szybkość próbkowania, długość bufora cyklicznego transformaty FFT, rodzaj okna czasowego transformaty FFT i ocenić wpływ w/w parametrów na wyniki pomiarów

10 f) Przeprowadzić analizę diagramów i algorytmów pomiarowych zastosowanych ćwiczeniu. Materiały pomocnicze: 1. P.Lesiak, D.Świsulski: Komputerowa Technika Pomiarowa, Agenda Wydawnicza PAK, Marzec D.Świsulski: Laboratorium z Systemów Pomiarowych, Politechnika Gdańska, DAQ AT E Series User Manuals (370507a.pdf ) 4. LabVIEW User Manuals (lvuser.pdf) 5. LabVIEW Measurements Manual (lvmeas.pdf) Rysunek 1. Metody podłączania sygnałów analogowych

11 Rysunek 2. Schemat blokowy badanej karty kontrolno-pomiarowej. Rysunek 3. Widok diagramu rejestratora N-próbek: Acquire N Scans.vi

12 Ćw. 6. System kontrolo-pomiarowy real-time z magistralą PXI i SCXI Cel ćwiczenia: Zapoznanie z podstawowymi własnościami systemów kontrolno-pomiarowych z magistralą PXI i SCXI f-my National Instruments oraz wykorzystanie ich w środowisku programistycznym LabVIEW f-my National Instruments do akwizycji wolno i szybkozmiennych sygnałów pomiarowych, procedur skalowania wyników pomiarowych, definiowania zadań pomiarowych, zaawansowanych metod obsługi kart pomiarowych (przesłania DMA, obsługa przerwań, przetwarzanie wielokanałowe). kart (modułów) kontrolno-pomiarowych 1. Zweryfikuj w środowisku NI-MAX rodzaje zainstalowanych w systemie NI PXI-1052 modułów pomiarowych. a) podaj nazwy i symbole urządzeń, b) wymień ich główne własności 2. Przygotuj w środowisku LabVIEW krótki program do akwizycji danych pomiarowych uzyskanych z modułu pomiarowego NI PXI