Виртуальные информационно измерительные системы

Современные решения в области промышленной автоматизации предполагают отказ от узкоспециализированных решений в пользу широкого использования персональных компьютеров, оснащенных платами АЦП/ЦАП, цифрового ввода-вывода информации, приборных, а также различных последовательных и параллельных устройств сопряжения — интерфейсов. Такие персональные компьютеры, работающие в режиме реального масштаба времени (в режиме on-line), могут выполнять все функции специализированного оборудования, сохраняя при этом достоинства компьютера общего назначения, прежде всего — гибкость и перенастраиваемость интерфейса.

Понятие «виртуальные приборы» (Virtual Instruments) появилось на стыке измерительной, информационной и компьютерной техники. Виртуальный прибор представляет собой комбинацию компьютера, универсальных аппаратных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения, которое, собственно, и определяет конфигурацию и функционирование законченной системы. По сути, в руках создателя системы имеется конструктор (набор), из которого даже не искушенный в компьютерных технологиях инженер или исследователь может построить измерительный прибор любой сложности. Теперь скорее требования задачи и соответствующее этому программное обеспечение, а не возможности прибора определяют функциональные характеристики законченного прибора.

В простейшем случае виртуальный прибор — это персональный компьютер в комплексе с соответствующим программным обеспечением и специальная плата сбора данных, устанавливаемая в него (в слот ISA или PCI) или внешнее устройство, подключаемое через LPT-порт, а также через современные внешние интерфейсы. Такими интерфейсами могут быть USB, RS-232, FieldBus, FireWire, IrDA, GPIB и т. д.

Персональный компьютер имитирует органы управления реального прибора и выполняет его функции, что позволяет инженеру, который умеет работать с этим прибором, продолжить работу с его виртуальным аналогом. Виртуальный прибор может содержать только те индикаторы и органы управления, которые необходимы для решения поставленной задачи. При этом обучение специалистов можно проводить на виртуальных аналогах реального оборудования, сохраняя его ресурс и не подвергая риску выхода его из строя из-за ошибок оператора.

К отличительным особенностям виртуальных приборов по сравнению с микропроцессорными приборами относятся:

•  обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, доступных для оператора, позволяющий решать широкий круг прикладных задач измерений (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т. д.);

•  возможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям (например, сети Интернет);

•  высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;

• возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости, а также составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;

• возможность оперативного использования различных устройств документирования результатов измерений.

Архитектура построения виртуальных приборов

Виртуальный прибор можно строить двумя способами: с последовательной или параллельной архитектурой.

В виртуальном приборе с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому всю соответствующую электронику размещают на слотах компьютера.

Виртуальный прибор с параллельной архитектурой содержит ряд параллельных каналов измерения, каждый из которых имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т. е. объединения сигналов). Подобный принцип построения виртуального прибора позволяет проводить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника иссле­дуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме.

Обобщенная структурная схема виртуального прибора, отражающая обе архитектуры построения, показана на рис. 15.2.

Рисунок 15.2

Взаимодействие между отдельными элементами виртуального прибора осуществляют с помощью внутренней шины компьютера, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, принтер, плоттер), так и измерительная схема, состоящая из коммутатора, АЦП и блока образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты. С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы; интерфейсный модуль ИМ подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Коммутатор устройства обеспечивает подачу аналоговых напряжений с внешних датчиков на узлы системы. Достаточно простые узлы виртуального прибора можно разместить на одной плате персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры виртуальных приборов, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе меняют архитектуру построения системы.

Одним из элементов виртуального прибора является блок образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты. В виртуальных приборах предусмотрена возможность определения индивидуальных функций влияния температуры на разные параметры прибора: дрейф нуля УПТ, коэффициенты передачи различных элементов. Непрерывный контроль температуры блоков позволяет автоматически корректировать возникающие погрешности измерения.

Основную роль в виртуальных приборах играют платы сбора данных с необходимыми метрологическими характеристиками для данной задачи, такими, как разрядность АЦП, быстродействие и динамические погрешности аналого-цифрового канала. При этом необходимо использовать быстрые и эффективные алгоритмы обработки измеряемой информации, разработать удобную программу сбора и отображения данных под наиболее распространенные операционные системы Windows 2000, NT, XP и т. д.

Одна из самых известных среди специалистов разработок виртуальных приборов — системы LabVIEW, BridgeVIEW и LookOut компании National Instruments (США). Кроме того, существует большое количество библиотек виртуальных приборов от независимых сторонних производителей. Программы в LabVIEW и именуются виртуальными приборами, так как способ общения с ними напоминает реальные приборы. Виртуальные приборы играют ту же роль, что и функции в обычных языках программирования.

Замена текстового представления графическим делает представление измерительных данных и процедур более наглядным, не создает языкового барьера, рисунок выражает смысл информации в более компактных единицах; например, это относится к графическому программному обеспечению Lab VIEW. Пакет LabVIEW — графическая альтернатива обычному программированию — предназначен для создания ИС и представляет собой программные средства, которые требуются при работе в области мониторинга, испытаний и измерений. С помощью LabVIEW можно создавать графические программы — виртуальные приборы, вместо написания традиционных программ.

Пользователь виртуального прибора включает объект графической панели с помощью клавиатуры, «мыши» или специализированной прикладной программы. Виртуальные приборы сочетают большие вычислительные и графические возможности компьютера с высокой точностью и быстродействием АЦП и ЦАП, применяемых в платах сбора данных. По существу виртуальные приборы выполняют анализ амплитудных, частотных, временных характеристик различных радиотехнических цепей и измеряют параметры сигналов с точностью примененных АЦП и ЦАП, а также формируют сигналы и для процесса собственно измерений, и для автоматизации ИС.

Программная часть виртуального прибора может эмулировать (создать) на экране дисплея компьютера виртуальную переднюю управляющую панель стационарного измерительного прибора. Сама управляющая панель с виртуальными кнопками, ручками и переключателями, сформированная на экране дисплея, становится панелью управления виртуального прибора. В отличие от реальной панели управления стационарного измерительного прибора, виртуальная панель может быть многократно перестроена в процессе работы для адаптации к конкретным условиям эксперимента. В зависимости от платы и программного обеспечения пользователь получает измерительный прибор под ту или иную метрологическую задачу.

Несколько лет назад на пути развития технологии программирования и создания виртуальных приборов появилось новое многообещающее направление. Оно называется IVI (Interchangeable Virtual Instruments — взаимозаменяемые виртуальные инструменты). Основ­ная идея такова. Все приборы одного класса имеют большую, общую для всех приборов группу функций, например, все цифровые мультиметры (DMM) измеряют постоянное и переменное напряжение, сопротивление, а также выполняют другие функции. Если эти функции выделить в IVI Class Driver для класса DMM Class, то часть програм­мы, отвечающая за управление цифровыми мультиметрами, не будет зависеть от конкретного прибора и его драйвера. Следует отметить высокое качество и надежность приборных драйверов VXI «Plug&Play», что не связано с концепцией классов драйверов IVI Class Driver, а реализуется другими средствами.

И конечно, современные программные системы немыслимы без удаленного доступа. Трудно себе представить ответственную систему, не имеющую выхода в Интернет.

Рассмотрим один из современных виртуальных цифровых запоминающих осциллографов. Внешний вид программного интерфейса пользователя (виртуальной графической измерительной панели) цифрового виртуального осциллографа представлен на рис. 15.3.

Рисунок 15.3

Виртуальный цифровой запоминающий осциллограф предназначен для наблюдения, регистрации, долговременного хранения, анализа и измерения амплитудных и временных параметров различных импульсных, периодических и случайных процессов. Программный кет «осциллограф», заложенный в память компьютера, обменивается данными с платой сбора данных по готовности прибора к обработке информации. После выдачи плате специальной команды на сбор данных по параметрам исследуемых сигналов, программа ожидает от нее сообщения об окончании процедуры заполнения буферной памяти, встроенной в плату сбора данных. Затем анализируемые сигналы поступают в компьютер, где их обработку и исследование полностью выполняет процессор. Программные файлы позволяют с помощью компьютера документировать исследуемые процессы, сравнивать сигналы с эталонными и отображать сигналы, созданные пользователем в его программах.

Принцип действия платы сбора данных упрощенно описывается следующим образом. Процесс сбора данных можно условно разделить на два этапа: запись оцифрованных сигналов в буферную память платы сбора данных (соответствует обратному ходу луча реального осциллографа) и передача данных в виртуальный осциллограф, их обработка и вывод на экран (соответствует прямому ходу луча реального осциллографа). Режим «прямого хода луча» (интервал обновления изображения на экране) зависит от объема памяти записывающего буфера платы сбора данных, быстродействия процессора и ОЗУ компьютера, числа каналов осциллографа.

Несмотря на то, что исследуемые сигналы — аналоговые, изображение на виртуальном экране (дисплее компьютера) осциллографа формируется после аналого-цифрового преобразования и поэтому является дискретным. Виртуальные кнопки, ручки, переключатели и другие элементы графического интерфейса практически не отличаются от реальных. Единственное и главное их отличие заключается в изменении положения ручек и переключателей, которое осуществляют с помощью «мыши» (или клавиатуры), а не рукой, как у реальных измерительных приборов.

Достоинства рассмотренного виртуального цифрового запоминающего осциллографа:

•  высокая точность измерений параметров сигналов или цепей;

•  яркий, четко сфокусированный экран на любой скорости развертки и резко очерченные контуры изображения;

•  широкая полоса пропускания;

•  возможность запоминания эпюры сигнала на произвольное время;

•  автоматическое измерение параметров сигналов;

•  возможность статистической обработки результатов измерения;

•  наличие средств самокалибровки и возможность сравнения текущих данных с образцовыми или предварительно записанными;

•  наличие принтера и плоттера для создания отчета о результатах
измерений, а также упрощенная архивация результатов измерений;

•  возможность исследования переходных процессов, протекающих
в электрических цепях.

На рис. 15.4 показан внешний вид программного интерфейса виртуального цифрового анализатора спектра, а на рис. 15.5 — виртуального цифрового генератора сигналов.

Рисунок 15.4. Внешний вид программного интерфейса  виртуального

цифрового анализатора спектра

Виртуальный анализатор спектра может исследовать от 2 до 1024 гармонических составляющих и позволяет вычислить амплитуды и фазы гармоник, а также коэффициенты Фурье спектрального представления исследуемого сигнала.

Виртуальный генератор сигналов ЦГС-31 способен создавать широкую сетку частот и имеет много режимов работы, позволяющих регулировать различные параметры выходных сигналов.

Рисунок 15.5. Внешний вид программного интерфейса виртуального

цифрового генератора сигналов

Итак, широкие вычислительные возможности виртуальных приборов позволяют реализовать программными методами многие методы повышения точности измерений, эффективности и быстродействия. Например, если полученная при измерениях гистограмма распределения физической величины, наблюдаемая экспериментатором на дисплее компьютера, имеет выпавшие значения и сглаженную форму, то следует предположить существование выбросов и наличие дрейфа измеряемой величины или погрешности. Для устранения выбросов можно использовать одну из статистических программ.                                                                         

В настоящее время развивается направление по разработке виртуальных измерительных систем, широко использующих возможности современных компьютеров, компьютерной графики, перспективных методов и средств измерений, цифровой обработки информации и эффективных «Plug&Play» мультимедиа-технологий при создании программного и технологического обеспечения. На основе таких систем проводятся: экспериментальные научные измерения и исследования реализуемые в виде универсальных (функционально ориентированных) приборов в виртуальном  исполнении (осциллографы, анализаторы, генераторы, синтезаторы сигналов, мультиметры, вольтметры, частотомеры, мультиплексоры и др.) и специальных (проблемно-ориентированных) систем, применяемых в спектроскопии, акусто- и сверхпроводниковой электронике, в поляризованных исследованиях оптических светодиодов, изучении распространения электромагнитного излучения в газах и атмосфере, дистанционном зондировании Земли и планет и т. д.;

•  разработка семейства новых универсальных компьютерных приборов, синтезированных программным путем, среди которых можно выделить приборы с блоком оценки и представления точности характеристик прибора и измерений;

•  создание виртуальных систем учебного назначения: практикумы и тренажеры, электронные каталоги и инструкции к серийно выпускаемым приборам, построенные на адекватных моделях устройств.