Politechnika Łódzka Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Laboratorium cyfrowej techniki pomiarowej Ćwiczenie 6 Akwizycja danych pomiarowych za pomocą karty pomiarowej w programie LabVIEW
1. Wprowadzenie Akwizycja danych pomiarowych w systemie komputerowym może odbywać się poprzez porty komputera lub karty pomiarowe. W przypadku transmisji z udziałem interfejsów sygnał musi zostać najpierw przetworzony przez przyrząd pomiarowy do postaci sygnału cyfrowego odpowiadającego standardowi interfejsu komunikacyjnego. Zachodzi więc konieczność stosowania przyrządów, które potrafią dokonać przetworzenia sygnału pomiarowego, którym często jest sygnał analogowy, na postać cyfrową. Można tu wyróżnić kilka typów takich urządzeń, np. oscyloskopy i multimetry cyfrowe, posiadające złącza RS-232 lub GPIB. Istnieje również możliwość stosowania prostych autonomicznych przetworników analogowo-cyfrowych konwertujących sygnał z analogowych przyrządów pomiarowych do postaci cyfrowej. Niestety sposób ten jest mało elastyczny i w praktyce zostaje powoli wypierany przez stosowanie kart pomiarowych. Karty takie zazwyczaj posiadają kilka wejść i wyjść analogowych i cyfrowych. Mogą więc pobierać dane z kilku fizycznych źródeł i jednocześnie sterować procesami. Karta zawiera w swojej budowie przetworniki A/C i C/A dostosowujące rodzaj sygnału do wymaganego standardu. Kartę po umieszczeniu w slocie komputera obsługuje się w pełni programowo, co umożliwia szybki i proste sterowanie parametrami karty. Należy zwrócić jedynie uwagę na wartość sygnałów doprowadzanych do wejść karty, gdyż przekroczenie ich dopuszczalnego poziomu, grozi zniszczeniem przyrządu. 2. Instalacja i konfiguracja karty pomiarowej Po umieszczeniu karty pomiarowej w slocie komputera należy zainstalować do niej odpowiednie oprogramowanie w postaci sterowników. Jeżeli jest to karta National Instruments to sterowniki wgrywane są do komputera przy instalacji programu LabVIEW i umieszczane w katalogu NI-DAQ. Po włączeniu komputera z nową kartą zostaje ona wykryta automatycznie i możliwa jest jej dalsza konfiguracja przy pomocy aplikacji National Instruments. Konfiguracji karty pomiarowej dokonuje się w programie Measurement & Automation Explorer (rys. 1). Rys. 1. Okno programu Measurement & Automation Explorer. Program umożliwia między innymi: przegląd i przyłączanie do systemu urządzeń, bez znaczenia w którym komputerze w sieci są one fizycznie zainstalowane (np. karty pomiarowe DAQ i GPIB) opcja Device and Interfaces, tworzenie nowych kanałów wirtualnych przypisanych do fizycznych wejść lub wyjść kart pomiarowych oraz ich testowanie opcja Data Neighbornhood, Po włączeniu programu na dowolnym komputerze w sieci i rozwinięciu opcji Device and Interfaces i Data Neighbornhood program powinien automatycznie wykryć i pokazać wszystkie przyłączone urządzenia i istniejące kanały wirtualne. Jeżeli prezentacja taka nie nastąpi należy ręcznie uruchomić skanowanie sieci przyciskiem F5 lub skorzystać z opcji View Refresh. Do każdego wejścia karty pomiarowej można przypisać wiele kanałów wirtualnych. Tworzenie kanału wirtualnego rozpoczyna się przez kliknięcie prawym klawiszem myszy na opcji Data Neighbornhood i wybranie 2
polecenia Create New... Na ekranie pojawia się okienko dialogowe (rys. 2), w którym należy zaznaczyć opcję Virtual Channel a następnie kliknąć przycisk Finish. Rys. 2. Okienko dialogowe do tworzenia kanału wirtualnego Create New... Spowoduje to wyświetlenie okna dialogowego kreatora (rys. 3), który przeprowadzi użytkownika przez proces tworzenia kanału wirtualnego. Rys. 3. Okienko dialogowe kreatora do tworzenia kanału wirtualnego Create New Channel. W procesie tworzenia kanału kreator poprosi użytkownika o podanie lub wybór informacji określających kolejno: 1. typ kanału należy wybrać typ fizycznego kanału karty, który będzie wykorzystywany przez kanał wirtualny (Analog Input, Analog Output, Digital I/O), 2. 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, 3. rodzaj wielkości mierzonej (np.: Voltage, Current, Frequency), 4. jednostki (Units) i zakres pomiarowy (Range), 5. 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, 6. nazwę karty pomiarowej, numer wykorzystywanego fizycznego kanału karty oraz tryb pomiaru dla wejść analogowych można wyróżnić trzy tryby pomiaru: Differential tryb różnicowy, w którym jednocześnie wykorzystywane są dwa kanały wejściowe karty przyłączone do obu wejść (+ i -) wzmacniacza operacyjnego (rys. 4), Nonreferenced Single-Ended tryb, w którym wspólna masa dla wszystkich kanałów przyłączona jest do wejścia odwracającego wzmacniacza (rys. 5), Referenced Single-Ended tryb, w którym wspólna masa dla wszystkich kanałów przeniesiona jest bezpośrednio na wyjście wzmacniacza (rys. 6). 3
Utworzony kanał wirtualny zapisywany jest 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. Rys. 4. 8-kanałowy tryb pomiarowy Differential. Rys. 5. 16-kanałowy tryb pomiarowy Nonreferenced Single-Ended. Rys. 6. 16-kanałowy tryb pomiarowy Referenced Single-Ended. 3. Akwizycja danych pomiarowych w programie LabVIEW Program LabVIEW zawiera zestaw gotowych elementów realizujących funkcje konfiguracji i obsługi kart pomiarowych paleta Functions Data Acquisition. Elementy zgrupowane są w sześciu zestawach: Analog Input elementy obsługujące wejścia analogowe, Analog Output elementy obsługujące wyjścia analogowe, Digital I/O elementy obsługujące wejścia i wyjścia cyfrowe, Counter elementy do obsługi liczników, 4
Calibration and Configuration elementy do kalibracji i konfiguracji Signal Conditioning elementy do kondycjonowania sygnału. W ramach zajęć laboratoryjnych wykorzystywana będzie tylko grupa Analog Input. Elementy tam zgromadzone realizują następujące funkcje: AI Acquire Waveform pobiera określoną ilość próbek sygnału z zadeklarowaną częstotliwością próbkowania z jednego kanału wejściowego i zwraca je bezpośrednio do dalszych bloków programu. AI Acquire Waveforms pobiera dane z określonych kanałów karty pomiarowej, próbkując sygnały z zadeklarowaną częstotliwością. Próbki są zwracane bezpośrednio do dalszych bloków programu. AI Sample Channel pobiera jedna próbkę sygnału ze wskazanego kanału. AI Sample Channels pobiera po jednej próbce z każdego wskazanego kanału. AI Config konfiguruje analogowe kanały wejściowe karty pomiarowej dla ustawień wyspecyfikowanych przez użytkownika. AI Start rozpoczyna zbieranie próbek sygnału do bufora utworzonego w pamięci komputera. AI Read odczytuje dane zgromadzone w buforze. AI Single Scan zwraca jedną próbkę danych, pobraną bezpośrednio z kanału karty lub ze zdefiniowanego bufora. AI Clear zatrzymuje akwizycje danych skojarzoną z określonym numerem TaskID oraz zwalnia pamięć wykorzystywaną przez bufor danych. Numer TaskID identyfikuje współpracującą ze sobą grupę elementów i operacji I/O. Przy budowie aplikacji w tym ćwiczeniu poza wymienionymi elementami Analog Input będą zastosowane jeszcze inne elementy, których zasada działania nie została wcześniej opisana, tj.: Index Array (Functions Array) zwraca element lub podtablicę o sprecyzowanym numerze indeksu. Get Waveform Components (Functions Waveform) zwraca składowe sygnału typu waveform. Ilość składowych można zwiększyć przez rozciągnięcie elementu myszką lub wybór opcji Add Element z menu elementu. Write Waveforms to File (Functions Waveform Waveform File I/O) tworzy nowy plik i zapisuje do niego dane. Read Waveforms from File (Functions Waveform Waveform File I/O) odczytuje dane z pliku. W celu udostępnienia karty w sieci na komputerze, w którym jest ona fizycznie zainstalowana musi zostać uruchomiony program Remote Device Access Serwer (National Instruments Ni-daq) Proces konfiguracji karty pomiarowej i akwizycji danych pomiarowych zostanie zobrazowany na kilku kolejnych przykładach. 5
Przykład 1 Przykład pierwszy pokazuje w jaki sposób pobrać określona ilość próbek sygnału napięciowego z jednego kanału wirtualnego. Na rysunkach 7 i 8 przedstawione są Diagram i Panel programu Karta1. Program bazuje na elemencie AI Acquire Waveform, do którego w tym rozwiązaniu należy doprowadzić tylko informacje o: nazwie kanału (channel name), ilości próbek do pobrania (number of samples) i częstotliwości próbkowania (sample rate). Kanał witrualny wykorzystywany w przykładzie ma następujące parametry: typ kanału Analog Input, nazwa Kanał1, rodzaj wielkości mierzonej - Voltage, jednostka V, zakres od 5 V do 5 V, skala - No Scaling, nazwę karty pomiarowej DAQ 6024, numer kanału wejściowego 1, tryb pomiaru - Nonreferenced Single-Ended. Rys. 7. Diagram programu Karta1. Rys. 8. Panel programu Karta1. 6
Przykład 2 Przykład drugi pokazuje w jaki sposób wykonać konfigurację karty pomiarowej bezpośrednio z programu LabVIEW bez stosowania kanału wirtualnego. Podobnie jak w przykładzie pierwszym do zbierania danych użyty został element AI Acquire Waveform program Karta2 (rys. 9, 10). W tym przypadku oprócz ilości zbieranych próbek i częstotliwości próbkowania do zacisków tego elementu należy podać dodatkowo: numer karty pomiarowej, który została przydzielony temu urządzeniu przez system operacyjny (device) 1, numer fizycznego kanału wejściowego (channel) - 1, maksymalną i minimalną wartość spodziewanego sygnału (high limit, low limit) : 5, -5, Rys. 9. Diagram programu Karta2. Rys. 10. Panel programu Karta2. Przykład 3 Przykład trzeci demonstruje sposób akwizycji danych w buforze utworzonym w pamięci komputera program Karta3 (rys. 11, 12). Do konfiguracji karty użyty został element AI Config, do którego poza znanymi już informacjami konfiguracyjnymi należy doprowadzić rozmiar bufora (buffer size). W programie występuje inny sposób deklarowania wartości limitów oczekiwanego sygnału. Wprowadza się je z tabeli, którą najlepiej utworzyć korzystając z menu zacisku input limits (Create Control). Zmiana występuje również w sposobie zadawania częstotliwości próbkowania, którą należy podać w bloku AI Start. Po uruchomieniu program konfiguruje kartę (AI Config) a następnie rozpoczyna pobieranie próbek do buffora (AI Start). Zebrane próbki są odczytywane przez element AI Read. Do bufora zapisywane są dane typu waveform. Typ ten zawiera trzy składowe sygnału: datę i czas pomiaru, czas próbkowania i wartości próbek. W buforze składowane są dane dotyczące wszystkich kanałów karty. Ponieważ użytecznym sygnałem jest sygnał z kanału pierwszego dlatego dane z bloku AI Read są najpierw kierowane do elementu Index Array, gdzie nastepuje wyodrębnienie sygnału typu waveform dla tego kanału. Następnym krokiem jest rozkład otrzymanych danych na składowe w celu wyodrębnienia wartości próbek (Get Waveform Components). 7
Rys. 11. Diagram programu Karta3. Rys. 12. Panel programu Karta3. Przykład 4 Przykład czwarty jest innowacją przykładu trzeciego program Karta4 (rys. 13, 14). Róznica polega jedynie na tym, że dane z bufora są bezposrednio zapisywane do pliku (Write Waveforms to File). Ścieżkę dostępu do pliku należy doprowadzić do zacisku file path elementu Write Waveforms to File. Podobnie jak w przykładzie trzecim w celu utworzenia pola edycyjnego do wpisywania ścieżki najlepiej jest się posłużyć menu zacisku (Create Control). Przykład 5 Przykład piąty demonstruje sposób odczytu danych z plku utworzonego w przykładzie czwartym program Karta5 (rys. 15, 16). Dane po odczytaniu przez element Read Waveforms from File są przetwarzane w sposób pokazany w programie Karta3. Rezultatem tych przekształceń jest tablica watrości próbek sygnału. 8
Rys. 13. Diagram programu Karta4. Rys. 14. Panel programu Karta4. Rys. 15. Diagram programu Karta5. 9
Rys. 16. Panel programu Karta5. 4. Wykonanie ćwiczenia Wykonać i uruchomić programy Karta1, Karta2, Karta3, Karta4, Karta5. Zapisane w plikach dane (Karta5) będą wykorzystane w następnym ćwiczeniu. 5. Literatura 1. Świsulski Dariusz, Komputerowa technika pomiarowa. Oprogramowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych w LabView, Agenda Wydawnicza PAK-u, Warszawa 2005 2. Świsulski Dariusz, Komputerowa technika pomiarowa w przykładach.. Agenda Wydawnicza PAK-u, Warszawa 2002 3. Świsulski Dariusz, Laboratorium z systemów pomiarowych.. Wydawnictwa PG, Gdańsk 1998 4. LabView Measurement Manual, National Instruments 5. Graczyk A., Gołębiowski J., Prohuń T.: Laboratorium komputerowych systemów pomiarowych, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2004. 10