Politechnika Łódzka. Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej

Transkrypt

1 Politechnika Łódzka Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Laboratorium komputerowych systemów pomiarowych Ćwiczenie 1 Akwizycja sygnałów w komputerowych systemach pomiarowych

2 1. Stanowisko laboratoryjne Rysunek 1. Schemat układu pomiarowego. Układ pomiarowy składa się z: generatora sygnałowego, który wytwarza napięcie przemienne o kształtach sinusoidalnym, prostokątnym i trójkątnym, maksymalnej amplitudzie 10V oraz częstotliwości z zakresu od 1Hz do 10kHz, karty pomiarowej (DAQ - data acquisition board), typu PCI-6034E, która współpracuje z oprogramowaniem LabView. Parametry karty to: maksymalny zakres napięcia wejściowego ± 10V, maksymalna częstotliwość próbkowania 100 khz, rozdzielczość 16 bit. 2. Obsługa karty w programie Measurement & Automation Explorer Podłączyć generator do terminala karty pomiarowej SCB-68. W tym celu należy przyłączyć przewód sygnałowy do wejścia kanału numer 0 (AI0), któremu odpowiada zacisk o numerze 68. Przewód masy należy dołączyć do wejścia masy AI GND (zacisk o numerze 67). Spis wszystkich zacisków i odpowiadających im numerów wejść jest pokazany na rysunku 2. Rysunek 2. Numery zacisków i odpowiadające im numery wejść i wyjść karty pomiarowej na terminalu SCB-68.

3 Na generatorze ustawić przebieg sinusoidalny o częstotliwości 10Hz i amplitudzie około 4V. Uruchomić program Measurement & Automation Explorer. Rysunek 3. Interfejs programu Measurement & Automation Explorer. Sprawdzić działanie kanałów wejściowych karty. W tym celu rozwinąć menu My System w zakładce Configuratoin tak aby zaobserwować zainstalowane w systemie karty pomiarowe: My System / Devices and Interfaces / Traditional NI- DAQ Devices. Odnaleźć ikonę karty PCI-6034E (rys. 3). Po zaznaczeniu ikony karty wybrać zakładkę Test Panels. Pojawi się panel testowy (rys. 4), który umożliwia sprawdzenie poprawności działania karty. Sprawdzić można zarówno wejścia i wyjścia analogowe jak i cyfrowe. W polu Channel panelu testu wybieramy kanał 0, do którego jest doprowadzony sygnał z generatora. W polu Data mode należy wybrać opcje Strip Chart, co pozwala obserwować zmieniający się w czasie przebieg na wykresie (rys. 4). Dla pełniejszego wykorzystania wykresu należy wybrać opcje Auto Scale. Zakres wejściowy napięcia należy pozostawić bez zmian jako ± 10V. Przed rozpoczęciem testu (wciśnięcie przycisku start) można ustawić częstotliwość próbkowania Sample Rate. Częstotliwość ta powinna spełniać warunki twierdzenia o próbkowaniu oraz zapewniać dobrą identyfikację kształtu sygnału wejściowego. W rozpatrywanym przykładzie przyjęto częstotliwość próbkowania równa 1000 Hz.

4 Rysunek 4. Panel testowy karty pomiarowej. Sprawdzić jak są wyświetlane przebiegi z generatora o kształtach i częstotliwościach podanych w tabeli 1.1. Spostrzeżenia zanotować w tabeli 1. Częstotliwość próbkowania Sample Rate przyjąć równą 1000 Hz. Tabela 1. Kształt sygnału nastawiony na generatorze Częstotliwość sygnału nastawiona na generatorze [Hz] Przebieg wyświetlany w oknie Test Panel (czy jest wyświetlany, jaki ma kształt, jakość, czy jest zakłócony, zmodulowany, czy jest to sygnał wejściowy czy pochodzi z aliasingu widma dyskretnego) sinusoida

5 Tabela 1.cd. Kształt sygnału nastawiony na generatorze Częstotliwość sygnału nastawiona na generatorze [Hz] Przebieg wyświetlany w oknie Test Panel (czy jest wyświetlany, jaki ma kształt, jakość, czy jest zakłócony, zmodulowany, czy jest to sygnał wejściowy czy pochodzi z aliasingu powtórzeń widma dyskretnego) prostokąt Sprawdzić czy na pozostałe wejścia przenosi się sygnał z kanału 0. Utworzyć kanał wirtualny. W tym celu w oknie programu Measurement & Automation Explorer należy zaznaczyć i kliknąć prawym klawiszem myszy opcję Data Neighborhood. Pojawi się okno Create New, w którym trzeba wybrać opcję Traditional NI-DAQ Virtual Chanel (rys. 5). Rysunek 5. Rozwinięcie okna Data Neighborhood.

6 Tworząc wirtualny kanał, czyli obiekt przekazujący parametry do karty pomiarowej, należy kolejno wybrać: a) rodzaj wejścia sygnału (wybieramy wejście analogowe Analog Input, rys. 6), Rysunek 6. Kreator nowego kanału wirtualnego, wybór typu wejścia. b) nazwę (Channel Name) i opis kanału (Channel Description) nazwą kanału może być prawie dowolny ciąg znaków, najlepiej gdy będzie to nazwa bezpośrednio identyfikująca kanał, np.: kanał1, pomiar1, napięcie z generatora, napięcie z bloku 1, c) rodzaj wielkości mierzonej (np.: Voltage, Current, Frequency), d) jednostki (Units) i zakres pomiarowy (Range), e) skalę sygnału dostępne są trzy opcje: No Scaling, Map Ranges, New Custom Scale, z których pierwsza oznacza, że sygnał nie będzie przeskalowany, druga przypisuje wcześniej utworzona skalę a trzecia umożliwia określenie nowej skali sygnału, f) nazwę karty pomiarowej, numer wykorzystywanego fizycznego kanału karty oraz tryb pomiaru (rys. 7). Dla wejść analogowych można wyróżnić trzy tryby pomiaru: o Differential tryb różnicowy, w którym jednocześnie wykorzystywane są dwa kanały wejściowe karty przyłączone do obu wejść (+ i -) wejściowego wzmacniacza operacyjnego karty, o Nonreferenced Single-Ended tryb, w którym wspólna masa dla wszystkich kanałów przyłączona jest do wejścia odwracającego wejściowego wzmacniacza operacyjnego karty, o Referenced Single-Ended tryb, w którym wspólna masa dla wszystkich kanałów przeniesiona jest bezpośrednio na wyjście wejściowego wzmacniacza operacyjnego.

7 Rysunek 7. Kreator nowego kanału wirtualnego, wybór nazwę karty pomiarowej, numeru fizycznego kanału karty oraz trybu pomiaru. Utworzony kanał wirtualny jest zapisywany w pliku informującym sterowniki karty pomiarowej o wymaganej przez użytkownika konfiguracji. Kanał wirtualny może zostać użyty do adresowania kanału karty w programie LabVIEW. Rozwiązanie takie upraszcza budowę przyrządów witrualnych a przypisane kanałom nazwy zapewniają szybsze i bezpośrednie skojarzenie sygnału pomiarowego z numerem kanału karty. Kanał wirtualny można przetestować przez kliknięcie na jego nazwie prawym klawiszem myszy i wybór opcji Test. Nazwa kanału jest dostępna po rozwinięciu opcji Data Neighbornhood. Po zaznaczeniu myszką nazwy kanału wirtualnego w środkowym oknie programu (rys. 8) pojawiają się skojarzone z nim atrybuty i ich wartości. Utworzyć kanały wirtualne dla różnych trybów pomiaru i porównać otrzymane dzięki nim przebiegi wejściowe. Spostrzeżenia zanotować we wnioskach.

8 Rysunek 8. Atrybuty kanału wirtualnego. 3. Obsługa karty w programie LabView W programie LabView do obsługi karty pomiarowej wykorzystuje się elementy (ikony) zgromadzone w grupie NI Measurements Data Acquisition Analog Input. Wykonać program Akwizycja1. Jest to program do zbierania danych z kanału wirtualnego. Panel i Diagram programu należy wykonać zgodnie z rysunkami 9 i 10. Program umożliwia pobranie określonej liczby próbek sygnału napięciowego. Jest to najprostsze rozwiązanie oparte jedynie na jednym elemencie AI Acquire Waveform, do którego należy wprowadzić informacje o: a) nazwie kanału (channel name) można podać fizyczny numer kanału wejściowego karty (rys. 1.10) lub wpisać nazwę utworzonego wcześniej kanału wirtualnego, b) liczbie próbek do pobrania (number of samples) określa ile próbek ma zostać pobrane, może to być liczba próbek z części lub wielokrotność 1s, c) częstotliwości próbkowania (sample rate) określa liczbę próbek na sekundę. Należy pamiętać o poprawnym określeniu tego parametru zgodnie z twierdzeniem o próbkowaniu.

9 Rysunek 9. Diagram programu Akwizycja1. Rysunek 10. Panel programu Akwizycja1. Rozwinąć program o możliwość pomiaru amplitudy sygnału i jego częstotliwości. Zastosować blok Extract Single Tone Information. Wykonać pomiary sygnału z generatora zgodnie z tabelą 2. Liczbę próbek (number of samples) przyjąć równą 1000.

10 Tabela 2. Kształt sygnału nastawiony na generatorze Częstotliwość próbkowania [Hz] Częstotliwość sygnału nastawiona na generatorze [Hz] Przebieg wyświetlany na wykresie (czy jest, jaki ma kształt, czy jest zakłócony, czy jest to sygnał wejściowy czy pochodzi z aliasingu powtórzeń widma) Amplituda sygnału odczytana z programu [V] Częstotliwość sygnału odczytana w programie [Hz] sinusoida prostokąt trójkąt

11 Wykonać program Akwizycja2 Panel i Diagram programu są przedstawione na rysunkach 11 i 12. W rozwiązaniu tym dane pomiarowe przetworzone do postaci cyfrowej są zapisywane w buforze utworzonym w pamięci komputera. Rysunek 11. Panel programu Akwizycja2. Rysunek 12. Diagram programu Akwizycja2. W programie Akwizycja2 do konfiguracji karty wykorzystano element AI Config, do którego oprócz numeru karty i numeru kanału wejściowego, należy doprowadzić rozmiar bufora (buffer size). W programie występuje inny sposób deklarowania częstotliwości próbkowania, którą należy podać w bloku AI Start. Po uruchomieniu program konfiguruje kartę (AI Config) a następnie rozpoczyna pobieranie próbek do bufora (AI Start). Do bufora zapisywane są dane typu waveform. Typ ten zawiera trzy składowe sygnału: datę i czas

12 pomiaru, czas próbkowania i wartości próbek. W buforze składowane są dane dotyczące wszystkich kanałów karty. Zebrane próbki są odczytywane przez element AI Read i zapisywane do pliku (Write Waveforms to File), utworzonego według ścieżki podanej w elemencie File Path. Jednocześnie dane są wyświetlane na wykresie Waveform Graph. Sprawdzić działanie programu. Przetestować program z wybranym sygnałem z generatora. Porównać wyniki z otrzymanymi z programu Akwizycja1. Wykonać program do odczytu danych zapisanych w pliku za pomocą programu Akwizycja2. W tym celu zastosować element Read Waveform from File z grupy Waveform Waveform File I/O. Przykładowe użycie tego elementu przedstawia Diagramie programu Akwizycja3 (rys. 13). Odczytane dane skierować na wykres. Rysunek 13. Diagram programu Akwizycja3. 4. Literatura 1. Nawrocki Waldemar, Komputerowe systemy pomiarowe, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności sp. z o.o., Warszawa Świsulski Dariusz, Komputerowa technika pomiarowa. Oprogramowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych w LabView, Agenda Wydawnicza PAK-u, Warszawa Świsulski Dariusz, Komputerowa technika pomiarowa w przykładach.. Agenda Wydawnicza PAK-u, Warszawa Świsulski Dariusz, Laboratorium z systemów pomiarowych.. Wydawnictwa PG, Gdańsk LabView Measurement Manual, National Instruments

13 6. Graczyk A., Gołębiowski J., Prohuń T.: Laboratorium komputerowych systemów pomiarowych, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2004.