WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA im. Jarosława Dąbrowskiego Pomiary z wykorzystaniem rozproszonego systemu pomiarowego mgr inż. Paulina Mazurek Warszawa 2013
1 Cel ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie się z ideą projektowania rozproszonego systemu pomiarowego z wykorzystaniem oprogramowania LabVIEW. 2 Wymagania wstępne System pomiarowy jest definiowany jako zbiór jednostek funkcjonalnych tworzących całość organizacyjną, objętych wspólnym sterowaniem przeznaczony do realizacji określonego celu metrologicznego. Sterowanie systemem jest realizowane przez nadrzędną jednostkę funkcjonalną nazywaną kontrolerem, działającą wg zaprogramowanego algorytmu. Cechą charakterystyczną systemów pomiarowych jest algorytmizacja procesów pomiarowych oraz współdziałanie (integracja) sprzętu i oprogramowania. Współcześnie występuje trend rozbudowy oprogramowania systemów i redukcja części sprzętowej. 2.1 Struktura systemu pomiarowego Struktura typowego systemu pomiarowego przedstawiona jest na rys. 1. W jego skład wchodzi kontroler sterujący pracą systemu oraz zespół jednostek funkcjonalnych, wśród których są czujniki pomiarowe przetwarzające wielkości pomiarowe pochodzące z obiektu pomiaru na sygnały elektryczne, blok akwizycji sygnałów umożliwiający zbieranie sygnałów pomiarowych i przetwarzanie analogowo-cyfrowe (A/C), blok przetwarzania danych realizujący cyfrowe przetwarzanie sygnałów, blok generacji wymuszeń umożliwiający zwrotne oddziaływanie na obiekt oraz blok komunikacji z użytkownikiem. Rys.1. Struktura systemu pomiarowego mgr inż. Paulina Mazurek 2
Kontroler systemu jest odpowiedzialny za czasowo-przestrzenną koordynację działań systemu, a więc wybór punktów pomiarowych, ustalenie warunków pomiaru, określenie momentu rozpoczęcia pomiaru oraz organizację przepływu informacji. Kontroler systemu wykonuje czynności sterujące w systemie pomiarowym zgodnie z programem zawartym w pamięci. Rozróżnia się kontrolery realizujące wy łącznie stały algorytm pomiarowy (sterowniki układowe) oraz kontrolery realizujące różne algorytmy, przez zmianę programów wpisanych do pamięci kontrolera. Najczęściej funkcję kontrolera pełnią systemy mikroprocesorowe, które obok czynności sterujących mogą tak że przetwarzać dane. Blok komunikacji z użytkownikiem jest przeznaczony do wprowadzania i odbierania informacji z systemu przez użytkownika. W systemach bez komputera wprowadzanie informacji może by ć dokonywane np. za pomoc ą przełączników, natomiast w systemach komputerowych za pomoc ą klawiatury, stacji dyskietek, myszki, pióra świetlnego. Wyprowadzanie informacji odbywa się za pomocą rejestratorów cyfrowych bądź analogowych, monitorów ekranowych, drukarek oraz z użyciem zapisu do pamięci dyskowej. Czujniki pomiarowe przekształcają wielkości nieelektryczne, lub trudno mierzalne wielkości elektryczne, na łatwo mierzalne wielkości elektryczne, takie jak napięcie stałe, częstotliwość czy przedział czasu. Postęp w mikroelektronice przyczynił się do powstania tzw. czujników inteligentnych, które zintegrowane są z układem przetwarzania i standaryzacji sygnału. Czujniki te potrafią realizować funkcje autokalibracji, linearyzować charakterystykę przetwarzania, a tak że eliminować wpływ zakłóceń. Blok akwizycji pośredniczy między czujnikami pomiarowymi a blokiem przetwarzania danych. Jego zadaniem jest zbieranie sygnałów pomiarowych i przekształcenie ich na postać cyfrową. W bloku akwizycji wykonywana jest wstępna normalizacja sygnału analogowego (często nazywana kondycjonowaniem sygnału) oraz przetwarzanie napięciecyfra bądź czas-cyfra. Przetwarzanie napięcie-cyfra jest stosowane przy pomiarach napięcia, prądu, rezystancji itp. Przetwarzanie czas-cyfra stosowane jest przy pomiarach odstępu czasu, częstotliwości, okresu, przesunięcia fazowego. Blok przetwarzania danych jest odpowiedzialny za cyfrową obróbkę sygnałów pomiarowych zgodnie z przyjętym algorytmem. Jeżeli kontrolerem w systemie pomiarowym jest komputer, to na ogół, oprócz sterowania systemem, pełni on jednocześnie funkcje bloku przetwarzania danych. W przypadku systemów wymagających przetwarzania w czasie rzeczywistym (real time processing) przyspieszenie obliczeń zapewniają wydzielone bloki funkcjonalne z procesorami sygnałowymi, realizujące złożone i pracochłonne algorytmy przetwarzania danych. Blok generacji sygnałów wykorzystywany jest do wytwarzania sygnałów wymuszających (programowane źródła napięć i prądów), do generacji sygnałów wzorcowych oraz do wytwarzania sygnałów sterujących elementami wykonawczymi obiektu pomiarowego. Blok ten wymaga jednego lub kilku przetworników C/A w celu wytworzenia sygnałów analogowych. mgr inż. Paulina Mazurek 3
Jednostki funkcjonalne mogą być realizowane w sposób sprzętowy (np. woltomierz cyfrowy w formie samodzielnego przyrządu pomiarowego), sprzętowo programowy (wirtualne przyrządy pomiaorwe) lub programowy (procedura programowa wykonywana przez komputer PC i realizująca funkcję bloku przetwarzania danych). Wirtualne przyrządy pomiarowe składają się z komputera ogólnego przeznaczenia i dołączonych do niego sprzętowych bloków funkcjonalnych. Funkcje i możliwości takich przyrządów określone są zarówno przez sprzęt, jak i oprogramowanie, a ich obsługa odbywa się za pomocą ekranu komputerowego, klawiatury i myszy z wykorzystaniem graficznego interfejsu użytkownika. Przyrząd wirtualny może być budowany zarówno przez producenta firmowego jak i samodzielnie przez użytkownika. W obu przypadkach kluczową częścią przyrządu jest oprogramowanie, które integruje komputer i bloki pomiarowe, tworząc z nich przyrząd. Na oprogramowanie przyrządu wirtualnego składa się panel graficzny przyrządu oraz sterownik części sprzętowej. Panel graficzny na ekranie komputera odwzorowuje płytę czołową przyrządu wirtualnego. Panel ten zawiera zbiór symboli graficznych, służących do obsługi przyrządu takich jak przełączniki, pokrętła, wskaźniki analogowe i cyfrowe, pola znakowe lub numeryczne, pola wykresów i inne. Przykład panelu wirtualnego przyrządu pokazany jest na rys. 2. Sterownik części sprzętowej stanowi zbiór funkcji wykorzystywanych przy komunikacji z przyrządem takich jak programowanie nastaw, wyzwalanie pomiaru, odbiór wyników, wyświetlanie wyników. Cechą wirtualnego przyrządu pomiarowego jest funkcjonalna elastyczność i rekonfigurowalność. Umożliwia to stworzenie na bazie danego sprzętowego bloku funkcjonalnego szerokiego zbioru przyrządów wirtualnych realizujących różnorodne funkcje i redukcję kosztów przyrządów oraz skrócenie czasu ich opracowania i dalszych modyfikacji. Rys.2. Przyrząd wirtualny mgr inż. Paulina Mazurek 4
W wielu zastosowaniach konieczna jest budowa rozproszonych systemów pomiarowych, w których dane pomiarowe pochodzą z wielu oddalonych od siebie węzłów pomiarowych. Systemy takie można zbudować korzystając z łączności przewodowej w postaci sieci Ethernet lub bezprzewodowej transmisji danych. Kryterium podziału systemów pomiarowych na systemy rozproszone i systemy nierozproszone nie jest precyzyjne. Umownie za rozproszone systemy pomiarowe uważa się systemy, które mają urządzenia rozmieszczone w większej liczbie pomieszczeń niż jedno, lub w których odległość między przyrządami w systemie jest większa niż długość kabla interfejsowego. 3 Opis stanowiska laboratoryjnego Podczas ćwiczenia laboratoryjnego zostanie zmierzona temperatura powietrza przy wykorzystaniu analogowego czujnika temperatury LM335Z (nota katalogowa w załączniku 1). Blok akwizycji danych zostanie zrealizowany z wykorzystaniem narzędzi dostarczonych przez firmę National Instrument (Chasiss Ni DAQ 9174 załącznik 2, moduły 9215, 9263, 9402 załącznik 3), kontrolerem systemu będzie komputer PC z odpowiednim oprogramowaniem umożliwiającym stworzenie interfejsu użytkownika. Schemat systemu pomiarowego przedstawiono na rys. 3. Rys.3. Schemat stanowiska laboratoryjnego 4 Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego W ramach przygotowania do ćwiczenia laboratoryjnego student wykonuje przed zajęciami polecenia umieszczone w punkcie 5. Następnie w trakcie laboratorium opracowuje system pomiarowy wg następujących punktów: 1. Skalowanie czujnika temperatury wg przygotowanej metodyki. 2. Wybór modułu akwizycji danych i karty pomiarowej. 3. Podłączenie czujnika do karty pomiarowej. 4. Konfiguracja modułu cdaq w programie MAX: mgr inż. Paulina Mazurek 5
a. Uruchomić program korzystając z menu START bądź odnajdując ikonę na pulpicie b. po uruchomieniu pokaże się okno w którego lewej części, będą wyświetlały się dostępne, podłączone urządzenia; c. dla każdego z urządzeń wykonać test z wykorzystaniem przycisku Self-test oraz Test Panels. 5) Wykonanie przyrządu pomiarowego w programie LabVIEW: a. Uruchomić program korzystając z menu START bądź odnajdując ikonę na pulpicie b. po uruchomieniu pokaże się okno Getting Started; mgr inż. Paulina Mazurek 6
c. aby otworzyć nowy plik należy wybrać New-> Blank VI d. wyświetliły się dwa okna o nazwie Block Diagram oraz Front Panel, w pierwszym z nich tworzy się aplikacje natomiast w drugim interfejs użytkownika; e. wykorzystując skrót ctr+t można dopasować dwa okna do wielkości ekranu; f. klikając prawym przyciskiem myszy w Block Diagram możemy wyświetlić paletę funkcji, w której umieszczone są wszystkie elementy potrzebne do stworzenia aplikacji; g. klikając prawym przyciskiem myszy w Front Panel możemy wyświetlić paletę kontrolek i wskaźników, w której umieszczone są wszystkie elementy potrzebne do stworzenia interfejsu użytkownika; mgr inż. Paulina Mazurek 7
Uwaga Niektóre elementy umieszczane w oknie Block Diagram maja swoje odpowiedniki w oknie Front Panel. h. Poniższy rysunek przedstawia gotową aplikację wyświetlającą napięcie wyjściowe z czujnika analogowego temperatury; i. Aby stworzyć aplikację przedstawioną powyżej należy w Block Diagram umieścić Express VI o nazwie DAQ Assistant. mgr inż. Paulina Mazurek 8
j. Po umieszczeniu DaQ Assistanta pojawi się okno przedstawione powyżej z menu należy wybrać Acquire Signals -> Analog Input -> Voltage-> Channel ai3->ok mgr inż. Paulina Mazurek 9
k. Pozostałe elementy potrzebne do zaprojektowania aplikacji to pętla While (funkcja pozwalająca na ciągłe wykonywanie aplikacji) Waveform chart (wykres na którym będą wyświetlały się dane z aktualna wartości napięcia) oraz wskaźnik numeric (wskaźnik, który będzie wyświetlał alfanumerycznie aktualną wartość napięcia). l. Zmodyfikować Block Diagram dodając funkcję To double Precision Float. m. Na podstawie noty katalogowej czujnika zmodyfikować program, by na wykresie przedstawiana była temperatura w stopniach Celcjusza oraz Kelwina zamiast napięcia wyjściowego czujnika. n. Dodać do programu funkcje umożliwiające zapis danych do pliku tekstowego. mgr inż. Paulina Mazurek 10
o. Wykorzystując pomoc kontekstową przeanalizować przeznaczenie poszczególnych funkcji. 1. Przydatne skróty Ctr+t dopasowanie do szerokości ekranu Block Diagram oraz Front Panel Ctrl+b usuniecie niepołączonych linii Ctr+h wyświetlenie pomocy kontekstowej 5 Przygotowanie do ćwiczenia laboratoryjnego W ramach przygotowania do ćwiczenia laboratoryjnego student powinien zapoznać się z notami katalogowymi elementów stanowiska laboratoryjnego: o Czujnik temperatury LM335Z; o NI Compact DAQ 9174 o NI 9215; o NI 9263; o NI 9402. wybrać moduł akwizycji danych: o na podstawie informacji dotyczących rodzaju pomiary oraz charakteru sygnału pomiarowego wybrać odpowiedni moduł akwizycji danych (9215, 9263, 9402), o opracować schemat podłączenia czujnika temperatury do karty pomiarowej. opracować metodykę skalowania czujnika temperatury z wykorzystaniem multimetru cyfrowego i termopary. mgr inż. Paulina Mazurek 11
6 Sprawozdanie a) Opis stanowiska laboratoryjnego, schemat, opis poszczególnych modułów Charakterystyka czujnika pomiarowego (zasada działania, zakres pracy itp.) Charakterystyka modułu akwizycji (charakterystyka wybranej karty, uzasadnienie wyboru, itp.) Opis interfejsu użytkownika oraz interfejsu pomiarowego; b) Opis stworzonej aplikacji: schemat ideowy stworzonego toru pomiarowego; Zrzut ekranu diagramu blokowego (opis wykorzystanych funkcji) Zrzut ekranu panelu frontowego (opis wykorzystanych kontrolek oraz wskaźników); c) Wykres zmian temperatury na podstawie danych zapisanych pliku tekstowym. d) Wnioski Jakie są wady i zalety korzystania z wirtualnych przyrządów pomiarowych? 7 Załączniki 7.1 Załącznik 1 http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm135.pdf 7.2 Załącznik 2 http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/pl/nid/207535 7.3 Załącznik 3 i. http://www.ni.com/pdf/manuals/373779f.pdf ii. http://www.ni.com/pdf/manuals/373781e.pdf iii. http://www.ni.com/pdf/manuals/374614a.pdf 8 Literatura iv. W. Nawrocki Rozproszone systemy pomiarowe, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa v. LabVIEW TM Core 1 Course Manual. vi. www.ni.com vii. http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~kca/labview.pdf viii. http://www.eti.pg.gda.pl/katedry/kmoe/dydaktyka/metrologia/systemy_pomiarowe. pdf mgr inż. Paulina Mazurek 12