Unowocześnienie i rozszerzenie oferty edukacyjnej na

kierunku Automatyka i Robotyka na Wydziale Automatyki,

Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej –

otwarcie specjalności i przygotowanie kadr

Nr projektu: POKL.04.01.01-00-270.08

Materiały dydaktyczne dla przedmiotu

„Oprogramowanie Systemów Pomiarowych”,
kierunek Automatyka i Robotyka, specjalność

„Technologie informacyjne w automatyce

i robotyce”

Publikacja współfinansowana przez Unię Europejską ze środków

Europejskiego Funduszu Społecznego

Publikacja dystrybuowana bezpłatnie

LABORATORIUM OPROGRAMOWANIA SYSTEMÓW POMIAROWYCH

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

Ć

wiczenie:

Zdalne pomiary przez sieć Ethernet

Politechnika Śląska

Instytut Automatyki

Zakład Pomiarów i Systemów Sterowania

Opracował: dr inż. Sebastian Budzan

ver.05.2011

1. WPROWADZENIE.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z problematyką pomiarów w czasie rzeczywistym

z wykorzystaniem sieci Ethernet. W ramach ćwiczenia zrealizować należy następujące zadania:

1.

Zapoznać się ze stanowiskiem pomiarowym. Specyfikacje techniczne konwertera i

multimetru znajdują się na stanowisku.

2.

Zapoznać się z technologią Ethernet oraz komendami języka programowania SCPI.

3.

Komunikacja z konwerterem za pośrednictwem oprogramowania SendTCP.

4.

Wykorzystanie LabVIEW do utworzenia programów realizujących zadania:

• tester błędów multimetru,

• pomiar napięcia zmiennego (tryb single oraz continuous),

• pomiar temperatury termoelementem typu K.

2. OPIS STANOWISKA ORAZ TECHNOLOGII POMIARÓW.

W skład stanowiska pracy wchodzą następujące urządzenia:

• komputer PC,

• konwerter RS – 232 na Ethernet firmy ICP DAS, model I-7188E3D-232,

• multimetr Keithley 2000,

• panel zacisków wejściowych,

• czujniki pomiarowe.

Rys. 1. Schemat stanowiska pracy

Konwerter firmy ICP DAS jest urządzeniem wykorzystującym standard Ethernet,

bazujący na protokole TCP/IP oraz standard RS – 232, który opracowano w 1969 roku na

zlecenie amerykańskiego stowarzyszenia producentów urządzeń w celu ujednolicenia

parametrów i normalizacji interfejsu przy wymianie danych pomiędzy terminalem, a modemem.

Czujniki

pomiarowe

RS 232

Ethernet/Internet

Definiuje on sposób nawiązania i przeprowadzenia łączności między dwoma urządzeniami tzw.

DTE (ang. Data Terminal Equipment) za pośrednictwem modemów tzw. DCE (ang. Data

Communication Equipment

) lub bez nich. Jest to obecnie standard łącza szeregowego do

połączenia komputera PC z urządzeniami zewnętrznymi. RS – 232 jest magistralą

komunikacyjną przeznaczoną do szeregowej transmisji danych.

Rozróżnia się dwa rodzaje transmisji szeregowej:

• synchroniczna – polega na przesyłaniu bloków danych, a do synchronizacji i regulacji

przepływu używa się zewnętrznego sygnału zegarowego wysyłanego przez nadajnik,

a odbieranego wraz z danymi przez odbiornik; nie występują tutaj przerwy związane

z koniecznością synchronizacji pojedynczych informacji

• asynchroniczna – polega na przesyłaniu pojedynczych bajtów w określonym formacie,

który należy sprecyzować po obu stronach transmisji. Ramka składa się bitu startu, bitów

danych (od 5 do 8), opcjonalnego bitu parzystości, a także z 1 lub 2 bitów stopu. Bity są

wysyłane synchronicznie z zegarem nadajnika oraz odbierane przez odbiornik taktowany

innym zegarem.

Konwerter umożliwia komunikację poprzez sieć Ethernet, którego specyfikacja zawarta jest w

standardzie IEEE 802.3. Obejmuje on standardy przewodów oraz przesyłanych nimi sygnałów,

opisuje także formaty ramek i protokoły z dwóch najniższych warstw modelu warstwowego sieci

OSI (ang. Open Systems Interconnections): fizycznej oraz łącza danych.

OSI

TCP/IP

warstwa 7

APLIKACJI

warstwa 6

PREZENTACJI

warstwa 5

SESJI

Programy
użytkowe

warstwa 4

TRANSPORTOWA

Transport

warstwa 3

SIECIOWA

Internet

warstwa 2

ŁĄCZA DANYCH

warstwa 1

FIZYCZNA

Interfejs sieciowy,

Sprzęt

Rys. 2. Schemat modelu OSI i TCP/IP.

Warstwa fizyczna modelu OSI jest to układ sprzętowy – elektroniczny, optyczny,

radiowy (np.: karta sieciowa) umożliwiający komunikację pomiędzy urządzeniami sieciowymi,

czyli przede wszystkim nadawanie i odbieranie sygnałów. Wprowadzono szereg wymogów dla

warstwy fizycznej, w zdecydowanej większości skupiających się na zapewnieniu odpowiedniej

niezawodności sprzętu oraz jakości transmisji sygnałów. Warstwa łącza ma za zadanie

nadzorować jakość przekazywanych informacji, poprzez kontrolę warstwy fizycznej. Warstwa

łącza danych ma możliwość zmiany parametrów pracy warstwy fizycznej w celu minimalizacji

liczby błędów powstałych podczas transmisji. Najczęstszymi błędami warstwy fizycznej jest

niedostarczenie sygnału (ramki) do odbiorcy, bądź dostarczenie uszkodzonego sygnału.

Standard TCP/IP (ang. Transmission Control Protocol/Internet Protocol) jest pakietem

najbardziej rozpowszechnionych protokołów komunikacyjnych sieci Internet, prostszym pod

względem liczby warstw standardem w stosunku do modelu OSI. Najważniejszym problemem

związanym z wykorzystaniem standardu TCP/IP w pomiarach przemysłowych jest czas, w jakim

należy wysłać i odebrać sygnał z urządzenia pomiarowego. Mianowicie, wysłanie zgodnej ze

standardem SCPI komendy :read? realizowane jest w czasie kilku milisekund. Podobnie jest w

przypadku przesyłu przez port szeregowy RS. Przy ustawionej szybkości transmisji 9600 bit/s,

wysłanie 6-iu znaków to dokładnie czas 5ms. Zmiennym czynnikiem mającym największe

znaczenie przy połączeniu przez sieć Ethernet, jest czas dostępu do konwertera. Zależy on przede

wszystkim od odległości urządzenia pomiarowego (multimetru) od komputera użytkownika

łączącego się z konwerterem, czyli liczby węzłów pośrednich pomiędzy tymi urządzeniami.

SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) powstał na wniosek producentów

aparatury pomiarowej. Jest to zwarte środowisko pomiarowe i język dla przyrządów

programowalnych. Definiuje strukturę, składnię i zbiór rozkazów do komunikacji między

kontrolerem i przyrządami w systemach pomiarowych.

Rys. 3. Schemat przesyłania rozkazów w standardzie SCPI

Rozkazy
programowe

Komendy

KONTROLER

URZĄDZENIE

Zapytania

Odpowiedzi

Jednym z założeń standardu jest uniwersalność języka programowania – jest

on niezależny od typu i rodzaju przyrządu. SCPI jest językiem samokomentującym się, rozkazy

są angielskimi nazwami (lub powszechnie znanymi skrótami) odpowiednich wielkości, funkcji,

parametrów, jak np. TEMPERATURE, MEASURE, DIGITS. Ich znaczenie jest zrozumiałe dla

inżyniera znającego podstawy języka angielskiego. Wszystkie rozkazy SCPI dzieli się na kilka

kategorii, związanych z blokami funkcjonalnymi przyrządów. W wykorzystywanym multimetrze

można wyróżnić następujące bloki:

• CALCulate: przetwarzanie danych w przyrządzie

• DISPlay: wyświetlanie danych

• FORMat: zmiana formatu danych związanych z transmisją

• ROUTe: związany z podłączeniem sygnału do przyrządu

• SENSe: konwersja sygnału na dane

• STATus: rozkazy związane z raportowaniem statusu urządzenia

• SYSTem: operacje systemowe

• TRACe: związany z tworzeniem wykresów

• TRIGger: synchronizacja i wyzwalanie

• UNIT: wybieranie jednostki pomiarowej

Przykładowe, wykorzystywane podczas ćwiczenia komendy SCPI:

Wybór funkcji pomiarowej (pomiar napięcia, temperatury, itp.) realizowane jest za

pośrednictwem polecenia :CONFiguration (np. :CONF:VOLT:DC 1, 0.00001 – pomiar napięcia

stałego, zakres 1V, rozdzielczość 0.00001V).

Wybór kanału, do którego podłączono czujnik pomiarowy realizuje się poprzez rozkaz :ROUT

(np. :ROUT:CLOSe (@8) – zamknięcie kanału 8).

Odczyt pomiarów zrealizowano poprzez polecenie :READ?, które jest wysyłane do multimetru

po wcześniejszym poleceniu konfigurującym pomiar.

3. ZADANIA DO REALIZACJI.

Przygotowanie:

• Podłączenie złącza RS-232 do multimetru (jeżeli nie zostało wcześniej podłączone)

należy realizować przy wyłączonym zasilaniu całego stanowiska, nie tylko multimetru !!!

• Po podłączeniu złącza RS do multimetru, włączyć zasilanie stanowiska, konwertera oraz

multimetru, włączyć komputer PC,

• Multimetr należy przełączyć w tryb pomiarów za pośrednictwem złącza RS: w tym celu

nacisnąć przycisk: SHIFT, następnie RS-232, zatwierdzić ENTER,

• Po zakończonych pomiarach przełączyć multimetr w tryb pomiarów gpib, w tym celu

nacisnąć przycisk shift, następnie gpib, zatwierdzić enter,

Wszelkie pliki, dokumentacje znajdują się w katalogu „lab_osp_tcpip” na pulpicie. Wszystkie

utworzone

podczas

ć

wiczenia

programy

należy

zapisywać

w

katalogu

„lab_osp_tcpip_temp/sekcja_nr”. Zadania dodatkowe należy realizować po uzgodnieniu

z prowadzącym ćwiczenie.

Konfiguracja konwertera

Realizowana jest z wykorzystaniem web-servera dostarczonego wraz z urządzeniem przez

producenta. Wywołanie oprogramowania odbywa się w oknie przeglądarki. Konfiguracja

ogranicza się do ustawień sieciowych (numer IP, brama, maska podsieci) oraz ustawień

portów.

Rys. 4. Okno Web-servera 7188E3.

Konwerter po uruchomieniu zmienia cyklicznie wyświetlane wielkości według

poniższego schematu. W pierwszej kolejności wyświetlana jest informacja o numerze IP i

domyślnym porcie, następnie o prędkości transmisji dla każdego z portów. Kolejno konfiguracja

wszystkich portów szeregowych, a dokładniej – formaty ramek każdego z portów. Na przykład,

wyświetlona informacja 1.801 oznacza, że dla złącza COM1 ustawiono 8 bitów danych, brak

bitu parzystości i 1 bit stopu. 2.712 informuje, że dla złącza COM2 ustawiono 7 bitów danych,

bit parzystości oraz 2 bity stopy. Następna sekwencja 3.821 – oznacza, że dla złącza COM3

ustawiono 8 bitów danych, bit nieparzystości i 1 bit stopu. Po ukazaniu się sekwencji 44444

wyświetlają się bardziej szczegółowe dane z konwertera. Gdy pierwszą cyfrą na wyświetlaczu

jest 1, następne dwie wskazują liczbę aktualnie możliwych podłączeń do konwertera przez

Ethernet (maksymalnie 27), kolejne dwie liczbę aktywnych podłączeń(00). Gdy pierwszą cyfrą

jest 2, wyświetlana jest informacja ile razy konwerter był restartowany. Przy pierwszej cyfrze 3,

kolejne informują ile pakietów zostało wysłanych do konwertera poprzez port Ethernet. Po

cyfrze 4 wyświetlany jest status flagi informującej, czy pakiety mogą być przesyłane (0 albo 1).

Ostatnia opcja przy tej sekwencji to cyfra 5 na początku wyświetlacza, a po niej liczba restartów

układu realizującego funkcje karty sieciowej.

Rys. 5. Schemat cyklicznej zmiany wielkości wyświetlanej w konwerterze.

Zadanie 1 – Testowanie połączenia z konwerterm

W tym celu należy uruchomić program SendTCP znajdujący się w katalogu

„lab_osp_tcpip”. Oprogramowanie pozwala na konfigurację konwertera, jak również co

ważniejsze na komunikację z konwerterem oraz urządzeniami podłączonymi za pośrednictwem

złącza RS-232. Po uruchomieniu programu w polu Config TCP/IP należy wprowadzić numer IP

konwertera odczytany z jego wyświetlacza. Następnie klikając przycisk „Connect”. W przypadku

prawidłowego połączenia pojawi się komunikat „7188E3 is connected”. Wysłanie zapytania do

urządzenia (multimetru) realizowane jest poprzez wybór portu „Port 3”, wybór znaku końca linii

„CR”, wprowadzenie komendy w polu „Send Data” oraz potwierdzeniu przez naciśnięcie

przycisku „Send”. W efekcie w polu „Receive” pojawi się wartość odczytana. Dla zapytania

:read?

, uzyskana zostanie odpowiedź w formie wartości liczbowej napięcia zmiennego.

Rys. 6. Okno programu SendTCP.

Szczegółowy opis komend znajduje się w instrukcji multimetru, dostępnej na stanowisku oraz

w formie elektronicznej w katalogu „dokumentacja”.

Wprowadzić kilka testowych zapytań:

:syst:err?

:conf:volt:ac 10,0.00001

:rout:close (@8)

:read?

Zadanie 2 – LabVIEW/ Tester błędów multimetru

Multimetr umożliwia za pośrednictwem polecenia języka SCPI :syst:err? Uzyskanie

informacji o błędach zarejestrowanych przez multimetr podczas ostatniego cyklu transmisji

komend. Zadanie polega na utworzeniu programu umożliwiającego odczytanie wszystkich

błędów znajdujących się w buforze multimetru według poniższego diagramu blokowego.

Po prawidłowym utworzeniu programu należy wygenerować błąd w multimetrze poprzez

np. wysłanie komendy z błędem składni z programu SendTCP.

Uwaga: bloczek „Error to warning” znajduje się na dysku c:\Program files\National

Instruments\LabVIEW 2009\vi.lib\utility\error.llb.

Zadanie 3 – LabVIEW/ pomiar napięcia przemiennego

Jednorazowy pomiar napięcia przemiennego realizowany jest w kilku krokach, mianowicie na

wstępie należy skonfigurować multimetr do pomiaru napięcia przemiennego komendą

:conf:volt:ac 10,0.00001

, następnie należy odpowiednio skonfigurować skaner do pomiaru na

kanale 8 komendą :rout:close (@8), wysłać komendę :read? i dokonać odczytu wartości napięcia

przemiennego.

Zadania dodatkowe:

1.

Zastanowić się, w jaki sposób można zoptymalizować kod programu, widoczny na

diagramie blokowym?

2.

Po wykonaniu zadania przekształcić diagram blokowy do zadania realizującego ciągły

pomiar napięcia.

Zadanie 4 – LabVIEW/ pomiar temperatury czujnikiem typu K

Celem zadania jest pomiar temperatury czujnikiem typu K w czasie rzeczywistym.

Rejestracja pomiarów powinna się rozpoczynać po naciśnięciu przycisku „Rozpocznij pomiary”.

Parametrami wyjściowymi są napięcie oraz temperatura. Do przeliczenia wartości napięcia na

wartości temperatury należy wykorzystać dedykowany bloczek „Romciob Volts to

temperature.vi” dostępny w katalogu „lab_osp_tcpip”. Zwrócić szczególną uwagę na wartości

parametrów „timeout”. Należy przetestować inne wartości. Jak wpływają na rezultat akwizycji

sygnału.

Zadania dodatkowe:

1.

Dołączyć do aplikacji funkcję rejestracji wykresu temperatury w czasie rzeczywistym.

2.

Dołączyć do aplikacji funkcję zapisu wartości temperatury do pliku.

Specyfikacja techniczna konwertera I-7188E3D:

Procesor i rodzaje pamięci

Procesor (CPU)

Pamięć SRAM

Pamięć FLASH

Pamięć EEPROM

Układ watchdog - timer

AMD 80188 40MHz

384 KB

512 KB

2 KB

Tak

Interfejsy komunikacyjne

COM1

COM2

COM3

Ethernet

RS-232 (sygnały: TXD, RXD, RTS, CTS, GND)

RS-485 (sygnały: D2+, D2-)

RS-422 (sygnały: TXD+, TXD-, RXD+, RXD-)

Standardy TCP/IP + 10BASE-T NE2000

Format ramek dla portów COM

Bity danych

Bity parzystości

Bity stopu

Baudrate

5 - 8

Parzystości (Even), Nieparzystości (Odd), brak

1 - 2

Max 115200 bps

Wejścia cyfrowe

Ilość wejść

Zakres napięciowy

4

+3.5V/DC to +30V/DC Max

Wyjścia cyfrowe

Ilość wyjść

Natężenie

Napięcie

4

100mA

+30V/DC

Wymiary

Długość x Szerokość x Wysokość

123mm x 72mm x 33mm

Dopuszczalne temperatury

W warunkach pracy

W warunkach magazynowania

-25°C to +75°C

-40°C to +80°C

Wyświetlacz

LED

Pięciocyfrowy, siedmiosegmentowy

Zasilanie

Zakres napięcia zasilającego

+10 to +30V/DC

Zużywana moc

Zabezpieczenie

3W

Zabezpieczenie przeciw złej polaryzacji

Sytem operacyjny – MiniOS7

Układ pinów podłączeniowych konwertera I-7188E3D-232:

Pin Nazwa Description

1

CTS1 COM1 CTS: gotowość przyjęcia danych

2

RTS1 COM1 RTS: gotowość wysyłania danych

3

RXD1 COM1 RXD: dane otrzymywane

4

TXD1 COM1 TXD: dane wysyłane

5

INIT* Pin aktywujący/dezaktywujący tryb RUN

6

D2+

COM2: Dane +

7

D2-

COM2: Dane -

8

VS+

Potencjał elektryczny dodatni (+10 to +30VDC nieregulowany)

9

GND Potencjał elektryczny ujemny (Masa)

10 CTS3 COM3 CTS: gotowość przyjęcia danych

11 RTS3 COM3 RTS: gotowość wysyłania danych

12 TXD3 COM3 TXD: dane wysyłane

13 RXD3 COM3 RXD: dane otrzymywane

14 DI0

Wejście cyfrowe, 3.5V ~ 30V, kanał 0

15 DI1

Wejście cyfrowe, 3.5V ~ 30V, kanał 1

16 DI2

Wejście cyfrowe, 3.5V ~ 30V, kanał 2

17 DI3

Wejście cyfrowe, 3.5V ~ 30V, kanał 3

18 GND Potencjał elektryczny ujemny (Masa)

19 PWR Potencjał elektryczny dodatni (+)

20 DO0

Wyjście cyfrowe, 100 mA, 30V max., kanał 0

21 DO1

Wyjście cyfrowe, 100 mA, 30V max., kanał 1

22 DO2

Wyjście cyfrowe, 100 mA, 30V max., kanał 2

23 DO3

Wyjście cyfrowe, 100 mA, 30V max., kanał 3

E1

Gniazdo ethernetowe na wtyczkę RJ-45