Cel ćwiczenia Akademia ETI Instrukcja laboratoryjna Wirtualne laboratorium elektroniczne Celem ćwiczenia jest zapoznanie uczniów ze środowiskiem i podstawami projektowania przyrządów wirtualnych przy pomocy graficznego języka programowania G programu LabVIEW firmy National Instruments. Przedmiotem ćwiczenia jest: - zapoznanie się ze środowiskiem LabVIEW, - wykonanie prostego urządzenia wirtualnego z użyciem elementów bibliotecznych generacji, przetwarzania i prezentacji sygnałów, - wykonanie termometru cyfrowego z kartę przetworników analogowo-cyfrowych i termistorem PTC jako elementem termoczułym. Wprowadzenie W nowoczesnych systemach pomiarowych, pomiar sygnałów, ich analizę i prezentację wyników powierza się programom komputerowym. Jednym z najbardziej zaawansowanych narzędzi do wspomagania pomiarów i analizy danych jest program LabVIEW firmy National Instruments. Pozwala on na tworzenie przy pomocy graficznego języka programowania G zaawansowanych aplikacji (urządzeń wirtualnych, ang. virtual instruments) do sterowania systemami pomiarowymi i analizy danych. Oprogramowanie LabVIEW wykorzystywane jest w przemyśle lotniczym, samochodowym, chemicznym, w nauce i medycynie oraz wszędzie tam, gdzie potrzebne jest proste i wydajne narzędzie do sterowania, zbierania danych, ich analizy, wizualizacji i archiwizacji. Graficzny język programowania G jest językiem wysokiego poziomu, w którym obiekty i operacje reprezentowane są w postaci graficznej. Poszczególne funkcje i instrukcje przedstawiane są jako ikony, a przepływ danych między nimi, jako linie je łączące. Zapis programu podobny jest do narysowanego schematu blokowego. Urządzenie wirtualne jest to urządzenie mające cechy (funkcjonalność) urządzenia rzeczywistego, ale istniejące tylko w pamięci operacyjnej komputera. Składa się ono z panelu sterowania na którym umieszczone są elementy wejściowe i wyjściowe urządzenia oraz diagramu połączeń zawierającego algorytm działania zapisany w języku G. Zasady zaliczenia Za wykonanie całego ćwiczenia można zdobyć maksymalnie 100 pkt, w tym za zadanie 2 30 pkt., za zadanie 3 50 pkt., za zadanie 4 10 pkt. Za częściowe wykonanie poszczególnych zadań przewiduje się mniejszą ilość punktów proporcjonalnie do stopnia zaawansowania wykonania zadania.
Zadania 1. Zapoznanie się ze środowiskiem LabVIEW. Aby rozpocząć projektowanie urządzenia wirtualnego należy po uruchomieniu programu LabVIEW, w oknie powitalnym wybrać polecenie Blank VI. Zostaną otwarte puste okna panelu sterowania (Front Panel) i diagramu połączeń (Block Diagram) Rys 1. Okna panelu sterowania i diagramu połączeń W górnej części okien znajdują się polecenia menu oraz przyciski sterowania urządzeniem wirtualnym. Ich funkcja przedstawiona jest na rys 2.
Uruchom Pętla Zatrzymaj Pauza Ikona Rys 2. Funkcje przycisków sterowania Dostępne elementy do umieszczenia na panelu sterowania i diagramie połączeń znajdują się w bibliotekach dostępnych po kliknięciu prawym przyciskiem myszy. Biblioteka Controls dla panelu sterowania i biblioteka Functions dla diagramu połączeń pokazane są na rys 3. Rys 3. Okna bibliotek Controls i Functions Elementy pogrupowane są w podbiblioteki. Wybrany element umieszcza się na panelu sterowania lub diagramie połączeń klikając na nim i umieszczając go w odpowiednim miejscu, z zastrzeżeniem, że na panelu sterowania można umieścić tylko element z biblioteki Controls, a na diagramie połączeń tylko z biblioteki Functions. Element umieszczane na panelu sterowania automatycznie pojawiają się na diagramie połączeń w postaci ikon. Elementy te reprezentują wejścia i wyjścia urządzenia wirtualnego. Do wykonywania operacji edytorskich (przesuwanie, łączenie, umieszczanie napisów, zmiana kolorów itp.) służą odpowiednie narzędzia. Są one zebrane w palecie narzędzi, którą można
wyświetlić wybierając z menu View>>Tools Palette. Paleta narzędzi pokazana jest na rys 4. Wyboru narzędzia dokonuje się klikając myszą na wybranym narzędziu lub przyciskiem Tab klawiatury lub spacją. Domyślnie w programie uruchomiona jest funkcja Automatic Tool Selection, która zmienia narzędzia automatycznie. Po umieszczeniu na panelu sterowania i diagramie połączeń wszystkich wymaganych elementów, należy je odpowiednio połączyć używając narzędzia Connect Wire. Nieprawidłowo wykonane połączenia są rysowane linią przerywaną. Prawidłowe połączenia oznaczane są liniami kolorowymi, przy czym kolor linii oznacza typ danych nią przekazywanych (pomarańczowa - liczby rzeczywiste, niebieska liczby naturalne, zielona dane logiczne, różowa tekst), a jej grubość ich rozmiar (cienka linia skalar, pogrubiona wektor (tablica jednowymiarowa), podwójna tablica wielowymiarowa). Operate Value - do obsługi panelu sterowania Position/Size/Select - do zaznaczania obiektów w celu ich przesunięcia, zmiany rozmiarów Edit Text - umieszczanie i edycja tekstów Connect Wire - wykonywanie połączeń między ikonami, obiektami wejściowymi oraz wyjściowymi podczas tworzenia diagramu Position/Size/Select - do zaznaczania obiektów w celu ich przesunięcia, zmiany rozmiarów Scroll Window - szybkie przewijanie dowolnego okna Get color - pobieranie kolorów Probe Data - szybkie udostępnianie danych w dowolnym miejscu testowanego programu Set/Clear Breakpoint -zatrzymanie programu w miejscu zaznaczonym, wskaźnik przerwań Set Color zmiana koloru elementu Rys 4. Paleta narzędzi programu LabVIEW Po umieszczeniu na panelu sterowania i diagramie połączeń wszystkich elementów i połączeniu ich, urządzenie wirtualne uruchamia się naciskając przycisk Uruchom/Run (rys 2.) lub naciskając klawisze Ctrl+R na klawiaturze. 2. Wirtualny konwerter jednostek temperatury Zadaniem projektowanego urządzenia jest przeliczanie wartości temperatury podanej w stopniach Celsjusza na temperaturę w Kelvinach. W celu wykonania urządzenia należy: 2.1. Otworzyć nowe okno urządzenia wirtualnego wybierając z ekranu powitalnego Blank VI 2.2. Na panelu sterowania umieścić kontrolkę numeryczną wybierając ją z biblioteki Controls>>Num Ctrls>>Num Ctrl. W etykiecie należy wpisać nazwę kontrolki
Stopnie C, następnie umieścić indykator numeryczny wybierając Controls>>Num Inds>>Num Ind, nazwać go Kelviny. 2.3. Na diagramie połączeń umieścić sumator wybierając go z biblioteki Functions>>Arith&Compar>>Numeric>>Add. 2.4. Połączyć kontrolkę Stopnie C z jednym z wejść sumatora. Do drugiego wejścia sumatora należy dołączyć stałą numeryczną wybierając ją z biblioteki Functions>>Arith&Compar>>Numeric>>Num Const i nadać jej wartość 273,15. Wyjście sumatora połączyć z kontrolką Kelviny. 2.5. Sprawdzić działanie konwertera uruchamiając go i sprawdzając wyświetloną wartość kontrolki Kelviny. 2.6. Zapisać zaprojektowane urządzenie wirtualne w katalogu C:\Temp\ pod nazwą CnaK.vi. Rys 5. Panel sterowania i diagram połączeń konwertera jednostek temperatury
2.7. Zmienić ikonę urządzenia wirtualnego (rys 2.) klikając na niej prawym klawiszem myszy i wybierając polecenie Edit Icon. Zaprojektować nową ikonę i zatwierdzić przyciskiem OK. 2.8. Aby zaprojektowane urządzenie wirtualne mogło być użyte jako element innego urządzenia musi posiadać złącze, za pomocą którego zostaną do niego doprowadzone sygnały wejściowe (temperatura w st. Celsjusza) i wyprowadzone sygnały wyjściowe (temperatura w Kelvinach). W celu dołączenia złącza należy w oknie panelu sterowania kliknać prawym klawiszem myszy na ikonie i wybrać polecenie Show Connector (domyślny konektor ma 12 wejść/wyjść; można go zmienić klikając na nim prawym klawiszem myszy i wybierając polecenie Patterns, następnie wybierając konektor o wymaganej liczbie wejść/wyjść). Dołączenia wejść i wyjść dokonuje się klikając narzędziem Connect Wire na wybranym wyjściu konektora, następnie na kontrolce, która ma być dołączona do konektora. 2.9. Zapisać zmiany i zamknąć urządzenie wirtualne. 3. Termometr cyfrowy Zadaniem projektowanego urządzenia jest pomiar temperatury. Elementem termoczułym jest termistor PTC (o pozytywnym współczynniku U Z temperaturowym - positive temperature coefficient, rezystancja elementu rośnie wraz ze wzrostem jego R temperatury). Dla potrzeb pomiaru temperatury termistor połączony jest w układ dzielnika napięciowego z R U(T)=U Th (T) T Z R+R rezystorem R jak na rys 6. Przy takim połączeniu Th(T) elementów, napięcie wyjściowe dzielnika U T (T) jest R Th (T) zależne od rezystancji termistora, a wiec będzie się zmieniało wraz ze zmianami temperatury. Pomiar napięcia U T (T) odbywa się z pomocą karty przetworników analogowo/cyfrowych NI USB 6008/09 dołączonej do Rys 6. Układ dzielnika komputera za pomocą interfejsu USB. Karta wyposażona napięciowego z termistorem R Th (T) jest również w źródło napięcia stałego 5V, które może służyć do polaryzacji dzielnika (napięcie U Z na rys 6.). Aby zaprojektować wirtualny termometr należy wykonać następujące czynności: 3.1. Dołączyć do komputera kartę pomiarową przez złącze USB. Po podłączeniu karty system operacyjny powinien rozpoznać dołączone urządzenie i wyświetlić informację, że jest ono gotowe do użycia. Prawidłowe zainstalowanie karty w systemie jest sygnalizowane miganiem diody na obudowie karty. Po zainstalowaniu karty w systemie można sprawdzić jej działanie programem (skrót do programu znajduje się na pulpicie). Po uruchomieniu w oknie Configuration należy wybrać zasób Devices and Interfaces, następnie NI-DAQmx Devices i zainstalowaną kartę. Następnie należy uruchomić zakładkę Test Panels... w której można sprawdzić działanie karty. Po zakończeniu testowania należy zamknąć program Measurement&Automation Explorer. 3.2. Otworzyć pusty VI (File>>New VI lub Blank VI z ekranu powitalnego). Zapisać go pod nazwą Termometr.vi.
3.3. Na diagramie połączeń umieścić ikonę DAQ Assistant z biblioteki Functions>>Express>>Input. Po umieszczeniu elementu na diagramie połączeń uruchomi się kreator, który umożliwi skonfigurowanie wejść karty przetworników. W pierwszym kroku należy wybrać typ zadania: Acquire Signals, następnie Analog Input (wejście analogowe) i Voltage. W następnym kroku należy wybrać kanał wejście karty do którego dołączony będzie sygnał pomiarowy. Należy wybrać kanał (ai0) i zakończyć konfigurację przyciskiem Finish. W otwartym oknie właściwości DAQ Assiatant należy wybrać Acquisition mode: 1 Sample (On Demand) oraz Terminal Configuration: RSE (rys 7). W zakładce Connection Diagram należy sprawdzić sposób dołączenia sygnału do wejścia karty. Zatwierdzić zmiany przyciskiem OK. Rys 7. okno konfiguracji DAQ Assistant 3.4. Podłączyć do odpowiednich terminali karty układ termistora i rezystora, w ten sposób, by czarna końcówka była dołączona do terminala masy (GND), czerwona do +5V, niebieska do AI0. Pokazać prowadzącemu zajęcia do sprawdzenia! 3.5. Na panelu sterowania umieścić indykator numeryczny. Na diagramie połączeń połączyć wyjście Data DAQ Assistant z wstawionym indykatorem numerycznym. Ponieważ dane
z DAQ Assistant prezentowane są w formacie Dynamic Data Type, należy je przeformatować do wartości skalarnej. W tym celu w wykonaną linię połączenia należy wstawić narzędzie konwersji przez kliknięcie na linii połączenia prawym klawiszem myszy, wybranie polecenia Insert, następnie Signal Manipulation Palette i wybrać From DDT. W oknie kreatora wybrać opcję konwersji na Single Scalar. Zatwierdzić wybór przyciskiem OK. Uruchomić VI i sprawdzić jaka wartość pojawia się w indykatorze na panelu sterowania. Przy prawidłowym połączeniu zespołu rezystora i tranzystora, wartość wyświetlana w indykatorze odpowiada wartości napięcia U T (T) (Rys 6). W celu wyznaczenia temperatury, należy najpierw wyznaczyć wartość RTh przekształcając wzór z rys 6. do postaci: R Th =U T R/(U Z -U T ) (1) 3.6. Korzystając z biblioteki Functions>>Arith & Compar>>Numeric zrealizować wyznaczanie wartości R TH zgodnie ze wzorem (1). Na panelu sterowania umieścić indykator numeryczny do wyświetlania wartości R Th. 3.7. Przeprowadzić pomiary wzorcujące wykonywane urządzenie. Zmierzyć temperaturę dwóch próbek wody, notując wartości wyznaczonej rezystancji R TH i temperatury zmierzonej niezależnym termometrem. 3.8. Wyznaczyć charakterystykę termometru przyjmując liniową zależność rezystancji R Th od temperatury: R TH = a T + b, (2) Gdzie T temperatura, a, b współczynniki. Na podstawie pomiarów wykonanych w punkcie 3.7. wyznaczyć wartości współczynników a i b. Używając narzędzia Edit Text umieścić na diagramie połączeń wartości współczynników w formie informacji tekstowej. 3.9. Korzystając z wzoru (2) i wyznaczonych wartości współczynników a i b wyznaczyć wartość temperatury na podstawie wartości rezystancji R Th. Korzystając z biblioteki Functions>>Arith & Compar>>Numeric zrealizować wyznaczanie wartości temperatury. Na panelu sterowania umieścić indykator Thermometer z biblioteki Num Inds do wyświetlania wyznaczonej wartości temperatury. Dołączyń do niego indykator numeryczny przez kliknięcie na nim prawym przyciskiem myszy i wybranie Visible Items>>Digital Display. Sprawdzić działanie urządzenia wirtualnego. 3.10. Rozbudować urządzenie wirtualne o możliwość wyświetlania temperatury w Kelvinach. W tym celu należy umieścić na diagramie połączeń aplikację CnaK.vi wykonaną w pkt 2 niniejszej instrukcji. Aby ją umieścić, należy wybrać polecenie z biblioteki Functions>>Select a VI, następnie wskazać wykonane urządzenie wirtualne CnaK.vi. Na panelu sterowania umieścić indykator numeryczny i nazwać go Kelviny. Na diagramie połączeń dołączyć do wejścia CnaK.vi obliczoną temperaturę a do jego wyjścia indykator numeryczny Kelviny. Sprawdzić działanie urządzenia wirtualnego. 3.11. Na diagramie połączeń dodać pętlę sterującą wykonywaniem programu. Z biblioteki Functions>>Exec Control wybrać pętlę While Loop i otoczyć nią wszystkie elementy diagramu połączeń. Do projektu został automatycznie dodany przycisk STOP do zatrzymywania działania urządzenia. Sprawdzić działanie urządzenia wirtualnego. 3.12. W celu spowolnienia działania pętli, na diagramie połączeń, wewnątrz pętli Chile umieścić VI Time Delay z biblioteki Functions>>Exec Control, ustawić opóźnienie na 0,5 s. Sprawdzić działanie urządzenia wirtualnego.
3.13. W celu monitorowania zmian temperatury w czasie umieścić na panelu sterowania Waveform Chart z biblioteki Controls>>Graph Indicato... Na diagramie połączeń dołączyć do Waveform Chart temperaturę. Sprawdzić działanie urządzenia wirtualnego. 3.14. Korzystając z polecenia File>>Print>>VI documentationt przygotować dokumentację urządzenia w formacie HTML. 3.15. Zaprezentować działanie zaprojektowanego urządzenia prowadzącemu zajęcia. 4. Zadania dodatkowe 4.1. Przyjmując, że zależność rezystancji R Th od temperatury jest nieliniowa (kwadratowa): R Th = A T 2 + B T + C (3) Wykonać pomiary dodatkowe I wyznaczyć współczynniki A, B i C równania (3). Wprowadzić odpowiednie zmiany do diagramu połączeń urządzenia wirtualnego 4.2. Rozszerzyć funkcjonalność urządzenia wirtualnego o możliwość ustawiania dwóch alarmów, uaktywniających się po przekroczeniu zadanych progów temperatury.