SYSTEMY POMIAROWE

System pomiarowy jest definiowany

jako zbiór jednostek funkcjonalnych

tworzących całość organizacyjną,

objętych wspólnym sterowaniem

przeznaczony do realizacji

określonego celu metrologicznego.

W zależności od przeznaczenia

rozróżnia się trzy klasy systemów

pomiarowych:

badawcze, pomiarowo-

kontrolne i pomiarowo-

diagnostyczne

Systemy badawcze

stosowane są w

pomiarach naukowych, do
empirycznej weryfikacji hipotez
naukowych.

Systemy te są wykorzystywane w wielu

dziedzinach nauki, jak:

elektronika, fizyka, chemia,

mechanika, biologia, medycyna.

Systemy pomiarowo-kontrolne

używane

są w przemyśle do automatyzacji

procesów technologicznych.

W systemach takich stosuje się zwykle

znaczne ilości czujników

rozmieszczonych na całym

kontrolowanym obiekcie i

przetworników formujących sygnały

wykorzystywane dalej przez regulatory

sterujące procesem technologicznym.

Konfiguracje systemów

pomiarowych

• Konfiguracja systemu pomiarowego jest

to sposób połączeń jednostek

funkcjonalnych w systemie

pomiarowym.

• Konfiguracja określa układ dróg

przepływu informacji w systemie.

• Aktualnie są stosowane trzy

podstawowe konfiguracje systemów

pomiarowych:

gwiazdowa, magistralowa

i pętlowa, a także ich kombinacje

• W

konfiguracji gwiazdowej

centralna

pozycja jest zarezerwowana dla
kontrolera systemu.

• Kontroler pośredniczy w przekazywaniu

każdej informacji między pozostałymi
jednostkami funkcjonalnymi.

• Przesyłanie informacji jest możliwe

jedynie między kontrolerem a
jednostkami funkcjonalnymi.

• Jednostka funkcjonalna nie może

przesłać informacji do innej jednostki
bezpośrednio, tylko za pośrednictwem
kontrolera.

• Konfiguracja gwiazdowa jest stosowana

w prostych systemach pomiarowych, o
niewielkiej i ustalonej liczbie jednostek
funkcjonalnych.

• Rozbudowa systemu o konfiguracji

gwiazdowej, jest bardzo utrudniona.

• W

konfiguracji magistralowej

wszystkie

współpracujące w systemie urządzenia są

dołączone równolegle do magistrali cyfrowej.

• Magistrala jest zespołem linii, po których

przekazywane są wszystkie informacje

przesyłane pomiędzy dowolnymi urządzeniami

pracującymi w systemie.

• W konfiguracji tej żadne z urządzeń systemu

nie ma wyróżnionej pozycji.

• Kontrolerem systemu może być każde z

urządzeń dołączonych do magistrali i mające

zdolność sterowania systemem.

• W praktyce najczęściej stosuje się systemy

pomiarowe o konfiguracji magistralowej, w

których przesyłanie informacji odbywa się za

pośrednictwem wieloprzewodowej magistrali

Konfiguracja magistralowa

W systemie o konfiguracji magistralowej

zachodzi

konieczność udzielania zezwoleń

poszczególnym urządzeniom na nadawanie

informacji, jak i powiadamianie o

konieczności przyjęcia nadawanej informacji.

Te czynności organizacyjne nazywa się

odpowiednio:

adresowaniem do nadawania

adresowaniem do odbioru.

• W

konfiguracji pętlowej

wszystkie linie

sygnałowe są w tej konfiguracji
jednokierunkowe, wskutek czego kierunek
obiegu informacji w pętli jest ustalony.

• Podobnie jak w konfiguracji

magistralowej, kontroler systemu nie
zajmuje tu wyróżnionego miejsca.

• Informacja nadawana przez kontroler

wysyłana jest do najbliższej jednostki
funkcjonalnej, w kierunku zgodnym z
obiegiem pętli, gdzie zostaje ona przyjęta
i przeanalizowana.

• Powrót informacji do kontrolera oznacza, że

przeszła ona przez wszystkie urządzenia i została
wykorzystana przez te z nich, które były wcześniej
wyznaczone (zaadresowane) do odbioru.

• Jest to więc jednocześnie potwierdzenie odbioru i

zezwolenie na nadanie następnej informacji.

• W systemach o konfiguracji pętlowej, podobnie

jak w magistralowej, zachodzi konieczność
adresowania urządzeń do nadawania i odbioru
informacji.

• W porównaniu z innymi konfiguracjami,

konfiguracja pętlowa ma najmniejszą szybkość
działania, natomiast ma najmniejszą liczbę linii
sygnałowych

W jego skład wchodzi:

• kontroler

sterujący pracą systemu oraz

zespół jednostek funkcjonalnych,

• 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,

• blok komunikacji

użytkownikiem.

• 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 wyłącznie

stały algorytm pomiarowy

(sterowniki

układowe) oraz kontrolery realizujące

różne

algorytmy

, przez zmianę programów

wpisanych do pamięci kontrolera.

• Blok komunikacji z użytkownikiem

jest

przeznaczony do wprowadzania i odbierania

informacji z systemu przez użytkownika.

• W systemach bez komputera wprowadzanie

informacji może być dokonywane np. za

pomocą przełączników,

• W systemach komputerowych za pomocą

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 także 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 napięcie-cyfra 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.

Wirtualne przyrządy

pomiarowe

• 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.

• Jako komputer najczęściej wykorzystywany

jest komputer typu PC.

• 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.

• Cechą wirtualnego przyrządu pomiarowego

jest:

- funkcjonalna elastyczność,
- 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.

Interfejsy systemów pomiarowych

• Sterowanie pracą każdego systemu pomiarowego

a także

przesyłanie informacji pomiarowych

odbywa się za pośrednictwem

systemu interfejsu

• Jest to układ komunikacyjno-informacyjny systemu

pomiarowego.

• Obowiązuje w nim ustalony zbiór reguł

obejmujących zasady zarządzania systemem

pomiarowym przez kontroler, a także ustalających

sposób kodowania informacji i jej przesyłania.

• Reguły te określają parametry elektryczne

sygnałów i metody transmisji, protokoły

komunikacyjne i metody kodowania sygnałów,

wymagania mechaniczne na gniazda

połączeniowe i rozmieszczenie w nich

poszczególnych sygnałów.

Ze względu na

rodzaj transmisji

interfejsy możemy

podzielić na szeregowe i równoległe.

• W

interfejsie szeregowym

poszczególne bity danego

słowa przesyła się kolejno, bit po bicie. Ze względu na

niskie koszty okablowania, gdzie wykorzystuje się tylko

dwa lub trzy przewody, interfejsy szeregowe stosuje się

przy przesyłaniu sygnałów na duże odległości.

Najbardziej znanym interfejsem szeregowym jest interfejs

RS-232C

oraz jego zmodyfikowana wersja

RS-485.

• W

interfejsach równoległych

przesyłaną informację

dzieli się na słowa (np. po 8 lub 16 bitów). Wszystkie

bity danego słowa przesyła się jednocześnie

(równolegle), natomiast poszczególne słowa przesyłane

są szeregowo, jedno po drugim. Dzięki temu transmisja

równoległa jest znacznie szybsza od szeregowej.

Wadą interfejsów równoległych jest większy koszt

okablowania – każdy bit danego słowa wymaga

oddzielnej linii.

Interfejs RS 232C

• Standard interfejsu

RS-232

został określony już w

1962 roku.

• Jego poprawioną wersję RS-232C zdefiniowano w

1969 roku.

• W standardzie RS-232 określono sposób połączenia

urządzeń w celu szeregowego przesyłania danych.

• W skład ogólnej struktury układu transmisyjnego

wchodzą dwa urządzenia końcowe dla danych

DTE

(ang.

Data Terminal Equipment

) np. komputery

połączone kanałem teletransmisji.

• Ponieważ bezpośrednie połączenie takich urządzeń z

kanałem teletransmisji jest niemożliwe, wykorzystuje

się dodatkowe urządzenia komunikacyjne dla

przesyłu danych

DCE

(ang.

Data Communication

Equipment

)

Celem interfejsu RS-232 jest połączenie urządzenia DTE

z urządzeniem DCE.

• Przykład najprostszego połączenia przyrządu

pomiarowego z komputerem z użyciem interfejsu RS-
232.

Wykorzystane w nim są tylko 3 linie spośród ogólnej

liczby 21 linii interfejsu.

Przy wykorzystaniu interfejsu RS 232 najczęściej

stosuje się transmisję asynchroniczną start-

stopową, w której słowa w postaci ciągu bitów

przesyłane są asynchronicznie, natomiast bity

w poszczególnym słowie przesyłane są

synchronicznie.

• Maksymalna prędkość transmisji zależy od

długości połączeń.

• Zaleca się prędkości do 20 kb/s, m.in. 150,

300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 kb/s.

• Długość połączeń nie powinna przekraczać

zwykle 15 m.

• Przy krótkich połączeniach prędkość transmisji

można zwiększyć do 112 kb/s.

• Zwiększenie zasięgu ponad 15 m umożliwia

zastosowanie tzw. pętli prądowej.

Stan „1” reprezentuje prąd o wartości 20 mA,
stan „0” – brak przepływu prądu.

• Przy użyciu interfejsu RS-232 stosowana jest również

transmisja synchroniczna.

• Polega ona na przesyłaniu bloków danych o zmiennej

długości.

• Blok składa się z nagłówka, w którym zapisana jest

liczba określająca długość bloku przesyłanych

danych, segmentu zawierającego dane oraz

sekwencji końca bloku zawierającej sumę kontrolną

przesyłanych danych, służącą do detekcji błędów.

• Bity wchodzące w skład bloku wysyłane są kolejno

zgodnie z taktami zegara, bez bitów określających

początek i koniec poszczególnych słów.

• Transmisja synchroniczna jest szybsza od

asynchronicznej transmisji start-stopowej, jednak ze

względu na bardziej złożoną realizację sprzętową

rzadko stosuje się ją w systemach pomiarowych.

• Zastosowanie interfejsu RS-232 w warunkach

przemysłowych jest ograniczone.

• Przyczyną tego jest brak dostatecznych

zabezpieczeń przed zakłóceniami oraz

ograniczona szybkość i odległość transmisji.

• Ograniczenia te spowodowały powstanie nowych

standardów transmisji szeregowej.

• Najbardziej popularnym z nich stał się

opracowany w 1983 roku standard RS-485.

• Najważniejsze cechy tego standardu to

możliwość dołączenia do 32 odbiorników i

nadajników oraz zwiększenie prędkości transmisji

do 10 Mb/s przy maksymalnej odległości 1200 m.

Standard GPIB

• Standard

GPIB

(ang.

General Purpose Interface Bus

) jest

standardem interfejsu umożliwiającym sprzęganie

aparatury kontrolno-pomiarowej i informatycznej w system

pomiarowy.

• Standard został opracowany w 1975
• Urządzenia w standardzie GPIB dołączone są równolegle

do wspólnej magistrali. Dzięki temu system jest otwarty i

elastyczny strukturalnie.

• Przesyłanie przez magistralę informacji w postaci bajtów

odbywa się asynchronicznie, ze zwrotnym potwierdzeniem

odbioru.

• Do magistrali można dołączyć jednocześnie do 15

urządzeń. Długość kabla między dwoma sąsiednimi

przyrządami nie powinna przekraczać 2 m, zaś całkowita

długość wszystkich kabli 20 m. Przez magistralę można

przesyłać dane z szybkością do 1000 kB/s.

• Magistrala składa się z 16 linii sygnałowych: 8 linii

danych, 3 linii synchronizacji i 5 linii sterowania.

• Linia

IFC

(ang. Interface Clear – zerowanie interfejsu)

służy do wprowadzenia wszystkich przyłączonych do
magistrali urządzeń w określony stan początkowy.

• Linia

REN

(ang. Remote Enable – sterowanie zdalne)

służy do przełączania przyrządów na zdalne
sterowanie, dokonywane z magistrali GPIB.

• Linia

SRQ

(ang. Service Request – żądanie obsługi)

sygnalizuje kontrolerowi, że jedno lub więcej
urządzeń przyłączonych do magistrali żąda obsługi,
np. w celu przesłania wyniku pomiaru.

• Linia

EOI

(ang. End or Identify – koniec lub

identyfikacja) w trybie przesyłania danych

sygnalizuje bajt kończący transmisję natomiast w

trybie przesyłania instrukcji sygnalizuje, że

kontroler dokonuje sprawdzenia, które z

przyłączonych urządzeń żądało obsługi.

Grupa trzech linii synchronizacji umożliwia

asynchroniczne przesyłanie informacji ze

zwrotnym potwierdzeniem odbioru.

• Linia

DAV

(ang. Data Valid – dane ważne) służy

nadajnikowi do poinformowania, że na liniach

DIO jest nowy bajt danych.

• Linia

NRFD

(ang. Not Ready for DATA – nie

gotowy na dane) podaje informację, że nie

wszystkie urządzenia są gotowe do odbioru

danych. Przesłanie danych może rozpocząć się

gdy wszystkie urządzenia wytypowane jako

odbiorniki zgłoszą swoją gotowość.

Urządzenie dołączone do magistrali GPIB można

podzielić na cztery grupy:

- odbiorcy - mogą jedynie odbierać dane (np.

zasilacz programowany, komutator, drukarka),

- nadawcy – mogą jedynie wysyłać dane (np.

licznik, termometr),

- nadawcy/odbiorcy – mogą wysyłać lub odbierać

dane (np. multimetr, oscyloskop cyfrowy),

- kontroler – jednostka sterująca, która może

również spełniać rolę nadawcy lub odbiorcy
(np. komputer).

Magistrale komputerowe w

zastosowaniach pomiarowych

Uniwersalna magistrala szeregowa USB

• Uniwersalna magistrala szeregowa

USB

(ang. Universal

Serial Bus) została wprowadzona do komputerów w 1995

roku.

• Charakteryzuje się ona łatwą instalacją dołączonych do

niej urządzeń – dołączone do portu USB urządzenia mogą

być z niego zasilane oraz można je łączyć i rozłączać w

trakcie pracy komputera.

• Magistrala USB wykorzystuje kabel czterożyłowy, w

którym są dwa przewody sygnałowe i dwa przewody

zasilania. Maksymalna szybkość transmisji to 12 Mb/s, a

w wersji USB 2.0 480 Mb/s.

• Zaletą magistrali jest łatwa rozbudowa – przy pomocy

koncentratorów magistrala pozwala na dołączenie do 127

urządzeń.

Magistrala szeregowa IEEE-1394 Fire Wire

• Magistrala szeregowa Fire Wire została

wprowadzona przez firmę Apple Computer w 1986 r.

• Magistrala służy do łączenia zarówno urządzeń

domowych (cyfrowe kamery, aparaty fotograficzne,

magnetowidy) jak i urządzeń przemysłowych, w tym

przyrządów pomiarowych.

• Magistrala Fire Wire jest czteroprzewodowa (dwa

przewody sygnałowe i dwa przewody zasilana) oraz

umożliwia dołączanie i odłączanie urządzeń w

trakcie pracy bez konieczności wyłączania zasilania.

• Maksymalna liczba urządzeń dołączonych do

magistrali wynosi 64. Szybkość transmisji wynosi do

3200 Mb/s dla magistrali w wersji IEEE1394b.

Interfejs równoległy Centronics

• Interfejs równoległy Centronics wykorzystywany

jest w komputerze do dołączenia drukarki.
Można go również wykorzystać do dołączenia
urządzeń pomiarowych.

• Posiada on 8 bitową równoległa szynę danych

oraz kilka linii sterujących, które można również
wykorzystać do przesyłania danych.

• Maksymalna szybkość przesyłanych danych w

najnowszym trybie pracy interfejsu EPP (ang.
Enhanced Parallel Port) i ECP (ang. Enhanced
Capability Port) wynosi do 500 kB/s.

Transmisja danych pomiarowych

na duże odległości

Łączenie sprzętu pomiarowego przez sieć Ethernet

• Ethernet jest rodzajem sieci lokalnej, opracowanej w

1976 roku. Ethernet umożliwia przesyłanie danych przez

skrętkę, kabel współosiowy lub światłowód, z prędkością

10 Mb/s, a w wersji Fast Ethernet 100 Mb/s.

• Połączenie przyrządów pomiarowych z wykorzystaniem

Ethernetu pozwala na budowę rozproszonych systemów

pomiarowych o dużym zasięgu.

• Przyrządy pomiarowych wyposażone w jeden ze

standardowych interfejsów pomiarowych łączy się z

siecią Ethernet z wykorzystaniem odpowiednich

modułów pośredniczących. Dostępne są moduły

GPIB/Ethernet, RS-232/Ethernet/, RS-485/Ethernet.

Systemy pomiarowe z wykorzystaniem radiomodemów

• W przypadku gdy obiekt pomiaru znajduje się w

trudnodostępnym miejscu, lub budowa linii przewodowej

jest kosztowna, stosuje się w systemach pomiarowych

przesyłanie danych przez wydzielone kanały radiowe z

wykorzystaniem radiomodemów.

• Zadaniem radiomodemów jest emitowanie i odbieranie

sygnałów radiowych, przetwarzanie danych cyfrowych na

emitowane sygnały oraz przetwarzanie odebranych

sygnałów na dane cyfrowe.

• Radiomodemy wyposażone są najczęściej w interfejs RS-

232 lub RS-485, przez który łączą się z przyrządami

pomiarowymi.

• Systemy radiomodemowe umożliwiają transmisję danych

na odległość od ok. 100 m do 100 km. Radiomodemy

wykorzystują wybrane pasma częstotliwości dla

radiokomunikacji przemysłowej i wymagają zezwolenia

Państwowej Agencji Radiokomunikacji (PAR).

Systemy pomiarowe z wykorzystaniem telefonii

komórkowej GSM

• Gdy obiekt pomiaru lub odbiorca wyników znajdują

się w ruchu np. w poruszającym się pojeździe lub

gdy odległość między obiektem pomiaru i odbiorcą

wyników jest bardzo duża można zastosować w

systemie pomiarowym cyfrowy system telefonii

ruchomej GSM (ang. Global System of Mobile

Communications).

• Funkcje bezprzewodowego terminala oprócz telefonu

komórkowego może również realizować komputer

typu laptop z kartą PCMCIA pełniącą funkcję telefonu

komórkowego. Przesyłanie danych można realizować

• z wykorzystaniem jednej z kilku metod:
• 1.

Przesyłanie danych można realizować z

wykorzystaniem jednej z kilku metod:

1. Transmisja bez zestawiania połączeń SMS. Transmisja umożliwia

realizację usługi SMS (ang. Short Message Service), czyli

przesyłania krótkich komunikatów alfanumerycznych o długości do

160 znaków do innych stacji ruchomych.

2. Transmisja z komutacją łączy (w skrócie transmisja komutowana).
- SDT (ang. Switched Data Transfer) - standardowa transmisja

danych realizowana w jednym kanale rozmównym, szybkość

transmisji 9.6 kb/s.

- HSCD (ang. High Speed Circuits Switched Data) – szybka,

wielokanałowa transmisja danych realizowana przez jeden do

czterech kanałów rozmównych, z szybkością od 14.4 kb/s przy

wykorzystaniu jednego kanału rozmównego do 57.6 kb/s z

wykorzystaniem czterech kanałów.

3. Transmisja z komutacją pakietów (w skrócie transmisja pakietowa).

Umożliwia realizację usługi GPRS (ang. General Packed Radio

Service), czyli nadawania i odbioru pakietów danych z adresem

internetowym w nagłówku. Maksymalna prędkość transmisji

danych wynosi 115.2 kb/s. Zaletą transmisji GPRS jest koszt

proporcjonalny do liczby przesyłanych danych , a nie do czasu

połączenia.

Document Outline