Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową

systemy pomiarowe

Materiały uzupełniaj

ące do laboratorium z przedmiotu:

Systemy komputerowego wspomagania

Temat:

Cyfrowa technika pomiarowa i przetwarzanie danych

doświadczalnych

Opracowanie:
Mgr in

ż. Krzysztof Zarębski

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 2 -

SPIS TRE

ŚCI

1. Znaczenie oraz zasadno

ść stosowania systemów pomiarowych w nowoczesnej

technice pomiarowej.......................................................................................................... - 3 -
2. Współczesne komputerowe systemy pomiarowe ...................................................... - 5 -
3. Charakterystyka cyfrowych systemów pomiarowych............................................... - 8 -
4. Oprogramowanie systemów pomiarowych ............................................................. - 16 -

Literatura: .................................................................................................................................23

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 3 -

1. Znaczenie oraz zasadność stosowania systemów pomiarowych w nowoczesnej

technice pomiarowej

Wynik pomiaru jako identyfikacja interesuj

ącego nas obiektu czy zjawiska fizycznego

mo

że mieć charakter jakościowy, będący zbiorem subiektywnych odczuć zależnych od

zdolno

ści i wrażliwości obserwatora, lub ilościowy, obiektywny, wykorzystujący procedury

pomiarowe pozwalaj

ące w efekcie na opis danej własności czy zjawiska za pomocą liczb.

Powszechnie znana definicja pomiaru okre

śla go jako proces poznawczy, na który składa się

ci

ąg czynności mający na celu doprowadzenie do wyznaczenia wartości pewnej wielkości

fizycznej. Cz

ęstokroć w celu scharakteryzowania jakiegoś obiektu zmuszeni jesteśmy

dokona

ć wielokrotnego pomiaru jednej wielkości, lub pomiaru kilku różnych wielkości

fizycznych, co powoduje,

że pomiar staje się czynnością złożoną, wymagającą wstępnego

przygotowania i precyzyjnego zaplanowania.

Projektowanie procesu pomiarowego obejmuje:
− wybranie wła

ściwości obiektu koniecznych do zbadania, czyli ustalenie modelu

fizycznego,

− poddanie powy

ższych właściwości regułom matematycznym tzn. zbudowanie modelu

matematycznego obiektu,

− okre

ślenie cech metrologicznych opartych na modelu matematyczno-fizycznym, czyli

zbudowanie modelu metrologicznego,

− dobranie odpowiedniej metody i

środków służących do realizacji pomiaru.

Po zaprojektowaniu procesu pomiarowego nast

ępuje proces jego realizacji, polegający na

wykonaniu operacji pomiaru, oraz opracowaniu i interpretacji wyników.
Wykonanie zło

żonego pomiaru pociąga za sobą rozbudowanie torów pomiarowych w układy

i systemy wielu funkcjonalnych przyrz

ądów pomiarowych stanowiących jedną całość, a

czynno

ści pomiarowe stanowią ciąg złożonych działań zawartych w jednej lub kilku

procedurach pomiarowych.
Zło

żoność tych procedur jest spowodowana koniecznością wykonania wielu pomiarów

jednocze

śnie, albo pomiaru kilku wielkości, stałych lub zmiennych w czasie. Bardzo często

wielko

ści mierzone przyjmują w trakcie trwania jednego procesu pomiarowego wartości

zmieniaj

ące się od bardzo dużych do bardzo małych, a nierzadko, szczególnie w metrologii

przemysłowej wielko

ści mierzone występują na tle zakłóceń znacznie je przewyższających.

Wspomniane powy

żej uwarunkowania wskazują na konieczność budowania systemów

pomiarowych, które w najogólniejszej definicji stanowi

ą odpowiednio zestawione i

zorganizowane zespoły przyrz

ądów, czujników i przetworników pomiarowych, objętych

wspólnym sterowaniem wewn

ętrznym lub zewnętrznym, których zadaniem jest zbieranie

informacji pomiarowych, przetwarzanie ich, archiwizacja a niekiedy równie

ż interpretacja.

Zamieszczona poni

żej tabela 1.1 przedstawia klasyfikację systemów pomiarowych oraz

zakres i sposób ich działania.

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 4 -

Tabela 0.1

Klasyfikacja systemów pomiarowych [11]

Klasyfikacja systemów pomiarowych

Kryterium podziału

Okre

ślenie

Zakres i sposób działania

Badawczy

Stosowany głównie w pomiarach naukowych,
których celem jest empiryczna weryfikacja hipotez

Pomiarowo-
kontrolny

Stanowi integraln

ą część każdego procesu

technologicznego,

umo

żliwiającą

jego

automatyzacj

ę i pozwala na pomiar znacznej liczby

parametrów

Przeznaczenie

Pomiarowo-
diagnostyczny

Słu

ży wykrywaniu, lokalizacji, identyfikacji lub

przewidywaniu

uszkodze

ń

obiektów

(np. diagnostyka techniczna czy medyczna)

Skupiony

Umiejscowiony w jednym pomieszczeniu

Zasi

ęg terytorialny

Rozproszony

Zlokalizowany w wielu pomieszczeniach, a nawet
kilku budynkach

Aktywny

System mo

że oddziaływać na badany obiekt w celu

stworzenia odpowiednich warunków do wykonania
do

świadczenia.

Oddziaływanie na
badany obiekt.

Pasywny

Jest pozbawiony mo

żliwości oddziaływania na

badany obiekt

Rozwój metrologii mo

żna podzielić na trzy charakterystyczne etapy.

Pierwszy obejmował okres stosowania metod bezpo

średnich w pomiarach i użyciu mierników

wska

źnikowych. Dodatkowo okres ten wyróżniał się tym, że niemal każda dziedzina

in

żynierii posiadała swoje własne miernictwo, np. miernictwo wielkości mechanicznych,

nieelektrycznych czy elektrycznych.
Drugi etap rozwoju polegał na zast

ąpieniu pomiaru większości wielkości nieelektrycznych

pomiarami wielko

ści elektrycznych, wykonywanych coraz bardziej nowoczesnymi,

dokładnymi i niezawodnymi przyrz

ądami pomiarowymi. Pomiary stały się bardziej

obiektywne, ograniczyły wpływ osoby dokonuj

ącej pomiar na wynik. Upowszechnił się

równie

ż sposób rejestracji wyników w formie zapisu na taśmie magnetycznej.

Trzecia faza rozwoju metrologii charakteryzuje si

ę wprowadzeniem do techniki pomiarowej

komputerów, które zostały sprz

ęgnięte z urządzeniami pomiarowymi. Pozwoliło to na

zapocz

ątkowanie automatycznego sterowaniem procesem pomiaru oraz wprowadziło nowy

element – przetwarzanie i analiz

ę danych pomiarowych [10].

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 1 -

2. Współczesne komputerowe systemy pomiarowe

Koniec XX wieku przyniósł rewolucyjne zmiany w technice cyfrowej. Pot

ężne

wymiarami komputery zajmuj

ące kilka pomieszczeń i zużywające ogromne ilości energii

zostały zast

ąpione minikomputerem w postaci pojedynczego „chipu”. Element ten oznaczony

symbolem 8080 stanowił komputer sam w sobie i składał si

ę centralnego procesora, pamięci,

zegara taktuj

ącego oraz układu wejścia-wyjścia, a zasilany był napięciem w wysokości 5[V].

Oprogramowanie pozwalało na bezproblemow

ą współpracę z innymi urządzeniami. Te

wła

śnie cechy pozwoliły na powstanie nowej generacji przyrządów, czujników oraz

przetworników pomiarowych, których elementem składowym stał si

ę nowy chip

umo

żliwiający bezpośrednie przetwarzanie sygnałów pomiarowych oraz sterowanie procesem

pomiarowym.

Rysunek 2.1 Współcze

śnie stosowane systemy pomiarowe [9]

Od tej wła

śnie chwili przyjęło się mówić o Komputerowych lub inaczej Inteligentnych

Systemach Pomiarowych, a wynikało to z ich mo

żliwości adaptacyjnych, które stały się

mo

żliwe dzięki zastosowaniu mikrokomputerów. W tym miejscu należy wspomnieć, że

znaczenie poj

ęcia inteligencja jest tu ograniczone swym zakresem do możliwości

udost

ępnionych przez konstruktora sprzętu i twórcę oprogramowania. Na każdym etapie

pracy systemu pomiarowego wykorzystywany jest sprz

ęt komputerowy. Wielkości fizyczne

mierzone s

ą przy pomocy czujników zaopatrzonych w minikomputer. Otrzymany w ten

sposób sygnał dopasowywany jest w układach kondycjonowania, gdzie komputer ustala
poziom wzmocnienia, dokonuje filtrowania szumów oraz zakłóce

ń i przekazuje go do

Przyrządy

a u t o n o m i c zn e

Przyrządy

p o m i a ro w e

M o du ł y

k o n dyc j o n o w a n i a

Przyrządy

m o du ł o w e

M i k ro k o m p u t e r

K o n t ro l e r

R e j e s t ra c j a

a n a l i za

zo b ra zo w a n i e

O p ro g ra m o w a n i e

n p . T e s t Po i n t

L a b V i e w

K a rt y zb i e ra n i a

da n yc h

O b i e k t p o m i a ro w y

C zu j n i k i p o m i a ro w e

G PI B

V X I -b u s

R

S

-2

32

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 2 -

układów akwizycji, gdzie jest on przekształcany na posta

ć cyfrową. W tej formie sygnał

przesyłany jest do komputera, którego zadaniem jest obróbka, wizualizacja, analiza i
interpretacja danych pomiarowych. Równie

ż archiwizacja odbywa się w postaci cyfrowej na

no

śnikach charakteryzujących się większą pojemnością i trwałością (rys. 2.1).

Technika cyfrowa doprowadziła do powstania i rozwoju technologii sieciowych. Przy

przesyłaniu sygnałów pomiarowych coraz cz

ęściej wykorzystywane są sieci komputerowe.

Stosowanie sieci Ethernet, a szczególnie sieci Internet sprawia,

że możliwe jest tworzenie

systemów komputerowych o prawie nieograniczonym zasi

ęgu.

Systemy pomiarowe wykorzystuj

ące Internet można podzielić na trzy podstawowe

grupy. Do pierwszej nale

żą systemy, w których centralny komputer zbiera informację z

w

ęzłów pomiarowych, w których mogą być np. komputery wyposażone w układy akwizycji

sygnałów lub aparatura pomiarowa z interfejsami GPIB. Centralny komputer steruje całym
procesem pomiarowym, wszystkimi przyrz

ądami znajdującymi się w poszczególnych

w

ęzłach i przejmuje od nich wyniki pomiarów.

Druga grupa obejmuje systemy pomiarowe składaj

ące się z jednego węzła pomiarowego

udost

ępniającego wyniki pomiarów przez Internet jednocześnie wielu użytkownikom.

Trzecia grupa jest kombinacj

ą dwóch poprzednich tzn. wyniki pomiarów z wielu węzłów

pomiarów s

ą udostępniane jednocześnie wielu użytkownikom.

Cz

ęsto zdarza się, że obiekt badany znajduje się w ruchu lub budowa linii przewodowej

wi

ąże się z wysokimi kosztami. W takich przypadkach wykorzystuje się bezprzewodowe

przesyłanie danych pomiarowych. Mo

żna wyróżnić trzy metody bezprzewodowej transmisji

danych; przy wykorzystaniu telefonii komórkowej, fal radiowych lub promieniowania
podczerwonego.

Układy pomiarowe oparte na cyfrowym systemie telefonii ruchomej GSM (ang. Global

System of Mobile Communications) stosuje si

ę wówczas, kiedy obiekt pomiaru lub odbiorca

wyników znajduj

ą się w ruchu np. w samochodzie, lub węzeł pomiarowy i odbiorca sygnałów

pomiarowych dzieli du

ża odległość (rys. 2.2).

GSM przeznaczony jest głównie do transmisji mowy, mo

żna go jednak wykorzystać

równie

ż do transmisji danych, w tym danych pomiarowych cyfrowych, a realizować to można

ró

żnymi metodami np.:

-

SMS (ang. Short Message Service) - przesyłanie danych alfanumerycznych o

ograniczonej długo

ści,

-

SDT (ang. Switched Data Transfer) – przesyłanie danych przez kanał rozmowny,

-

GPRS (ang. General Packed Radio Service) – przesyłanie danych w postaci zbiorów

danych, zwanych pakietami,

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 3 -

Rysunek 2.2 Struktura systemu z transmisj

ą danych pomiarowych przez sieć GSM [8]

Ze wzgl

ędu na zdolność do nadawania i odbierania danych telefony cyfrowe zostały

podzielone na trzy grupy;

-

MT0, które umo

żliwiają jedynie transmisję mowy i przesyłanie komunikatów SMS z

klawiatury, nie nadaj

ące się do transmisji danych,

-

MT1, wyposa

żone w interfejs ISDN (ang. Integrated Services Digital Network), dzięki

któremu po wyposa

żeniu w dodatkowe urządzenie (tzw. adapter terminalowy) mogą

by

ć połączone z komputerem i transmitować dane cyfrowe,

-

MT2 wyposa

żone w łącze RS-232C oraz port na promienie podczerwone IrDA [8].

W transmisji danych przez telefoni

ę cyfrową może być wykorzystywany również protokół

WAP (ang. Wireless Application Protocol) bazuj

ący na technologiach internetowych, lecz

wi

ąże się to z ograniczeniami wynikającymi z wielkości ekranu telefonu i małych prędkości

takich transmisji. Protokół WAP nadaje si

ę doskonale do przesyłanie danych

meteorologicznych, jak temperatura, wilgotno

ść, siła i kierunek wiatru (rys. 2.3).

Rysunek 2.3 Struktura systemu z przesyłaniem danych pomiarowych z u

życiem protokołu

WAP [8]

Przesyłanie danych przez wydzielone kanały radiowe stosuje si

ę w przypadku, kiedy

obiekt pomiaru znajduje si

ę w trudno dostępnym miejscu lub jest tak położony, że budowa

linii przewodowej byłaby nieopłacalna. Metoda ta pozwala przesyła

ć dane pomiarowe na

odległo

ść od około 100 m do 100 km. W systemach takich wykorzystywane są urządzenia

zwane radiomodemami, których zadaniem jest emitowanie i odbieranie sygnałów,
przetwarzanie danych cyfrowych na emitowane sygnały oraz przetwarzanie odebranych
sygnałów na dane cyfrowe. Radiomodemy najcz

ęściej konwertują sygnał radiowy na sygnał

szeregowy zgodny ze standardem RS-232.

Przy ł

ączności bezprzewodowej na bliskie odległości (ok. 1m) można stosować łącze na

promienie podczerwone. Rozwi

ązania takie stosuje się, kiedy wykorzystujemy komputery

Miernik

K o m p u t er

( ko nt ro l er

s y s t em u )

T erm ina l

b ez p rz e-

w o d o w y

K o m p u t er

z

m o d em em

S t a c j a

b a z o w a i

c ent ra l a

G S M

I nt erf ej s

p o m ia ro w y

R S -2 3 2

l u b I rD A

P o ł ą c z enie

b ez -

p rz ew o d o w e

S ieć

t el ef o nii

c y f ro w ej

Miernik

K o m p u t er

( ko nt ro l er

s y s t em u )

K o m p u t er

( s erw er

W A P )

T erm ina l

b ez p rz e-

w o d o w y

B ra m ka

W A P

I nt erf ej s

s t a nd a rt o w y

S ieć

l o ka l na

S ieć

I nt ernet

P o ł ą c z enie

b ez p rz e-

w o d o w e

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 4 -

przeno

śne do zbierania danych pomiarowych i nie jest wskazane lub możliwe łączenie

przewodów do ł

ącza stykowego komputera. Transmisja danych przy użyciu promieni

podczerwonych polega na zamianie w

święcącej diodzie optycznej sygnału elektrycznego na

modulowany sygnał optyczny, który z kolei w diodzie odbiorczej ponownie zamieniany jest
na sygnał elektryczny. Po zastosowaniu w systemie konwertera sygnałów RS-232/IrDA mo

że

w nim pracowa

ć dowolny przyrząd wyposażony w złącze RS-232 i przesyłać wyniki

pomiarów do komputera.

Podczas transmisji danych pomiarowych na małe odległo

ści zamiast łącza na promienie

podczerwone mo

żna stosować łącza radiowe o małej mocy. Ma to zalety związane z brakiem

konieczno

ści widzenia się odbiornika z przyrządem pomiarowym oraz daje możliwość

wykorzystania wi

ększej liczby odbiorników. Przykładem takiego systemu jest sieć typu

Bluetooth, zło

żona z kilku urządzeń pomiarowych (maksymalnie osiem), tworząca tzw.

pikosie

ć (ang. piconet). Każde urządzenie może pełnić rolę zarówno nadrzędną (master), jak i

podrz

ędną (slave) i należeć do kilku pikosieci, dzięki czemu mogą one ze sobą

współpracowa

ć.

3. Charakterystyka cyfrowych systemów pomiarowych

Cech

ą charakterystyczną cyfrowych układów pomiarowych jest sposób zbierania

informacji o badanym obiekcie pomiarowym. Pierwszym etapem jest pozyskanie sygnałów
elektrycznych w postaci analogowej a nast

ępnie przetworzenie ich na kod cyfrowy i poddanie

dalszej obróbce cyfrowej, w celu przedstawienia wyników w postaci wizualnej.

Rysunek 3.1 Schemat cyfrowego pomiaru sygnałów [14]

A/A

Przetwarzanie

analogowe

sygnału

U/C

Przetwarzanie

napi

ęcia na kod

cyfrowy

T/C

Przetwarzanie

odst

ępów czasu

na kod cyfrowy

C/C

Przetwarzanie

cyfrowe

C/A

Przetwarzanie

cyfrowo -

analogowe

t

u(t

)

x(t)

y(t)

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 5 -

Rysunek 3.1 przedstawia schemat pomiaru cyfrowego dowolnej wielko

ści fizycznej u(t)

przetworzonej wst

ępnie na sygnał elektryczny x(t). Blok oznaczony symbolem A/A

odpowiada za dopasowanie poziomem zmiennego w czasie sygnału x(t) do zakresu
przetwornika analogowo-cyfrowego. Nast

ępnie sygnał poddawany jest kwantyzacji i

dyskretyzacji w blokach oznaczonych odpowiednio U/C i T/C, sk

ąd przekazywany jest do

dalszej obróbki cyfrowej w bloku C/C. W wyniku otrzymujemy wyj

ściowy sygnał cyfrowy w

postaci kodu cyfrowego zapisanego jako słowo bitowe. Dodatkowo, w układach
adaptacyjnych oraz systemach pomiarowych b

ędących częścią układów sterowania procesami

lub współpracuj

ących z nimi, sygnał cyfrowy może ponownie być zamieniony na analogowy

sygnał napi

ęciowy.

Systemy pomiarowe stanowi

ące złożony zespół przyrządów i przetworników różnią się

sposobem przeł

ączania, czyli multipleksowania sygnałów pomiarowych w celu

wprowadzenia ich do wspólnego układu akwizycji danych. W przypadku sygnałów
wolnozmiennych stosowane s

ą dwa rodzaje systemów pomiarowych: z multiplekserem

analogowym lub z multiplekserem cyfrowym.

Rysunek 3.2 Schemat blokowy systemu pomiarowego z multiplekserem analogowym [9]

1-czujnik, 2-kondycjoner sygnałów, 3-multiplekser, 4-wzmacniacz, 5-układ próbkuj

ąco -pamiętający,

6-przetwornik analogowo –cyfrowy, 7-zegar, 8-układ sterowania, 9-pami

ęć

Podstawowymi elementami systemu z multiplekserem analogowym s

ą (rys.3.2):

− czujniki pomiarowe,
− układy do kondycjonowania sygnałów (wzmacniacze, układy standaryzuj

ące, izolujące

itp.),

− multiplekser,
− wzmacniacz,
− układ próbkuj

ąco – pamiętający,

1

1

1

2

2

2

3

4

5

UPP

6

A/C

7

Z

8

US

9

M

ik

ro

ko

m

pu

te

r

U

rz

ąd

ze

ni

a

po

m

ia

ro

w

e

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 6 -

− przetwornik A/C,
− jednostka centralna z zegarem, układem steruj

ącym i pamięcią.

W systemie pomiarowym z multiplekserem analogowym wprowadzone do niego sygnały
pomiarowe s

ą kolejno przełączane do wzmacniacza i układu próbkująco – pamiętającego.

Zapami

ętane próbki są przetwarzane na sygnał cyfrowy i przesyłane do jednostki centralnej.

Rysunek 3.3 Schemat blokowy systemu pomiarowego z multiplekserem cyfrowym [9]

1-czujniki, 2-kondycjonery sygnałów, 3-wzmacniacze pomiarowe, 4-układy próbkuj

ąco-pamiętające,

5-przetworniki analogowo-cyfrowe, 6- układy sterowania szyn danych, 7-dekodery kanałów, 8-pami

ęć

Zalet

ą takiego układu jest użycie tylko jednego przetwornika analogowo – cyfrowego, w

zwi

ązku z czym może to być przetwornik bardzo kosztowny i dokładny. Wady natomiast są

nast

ępujące:

− ograniczenie liczby kanałów do 256 (ze wzgl

ędu na trudności technologiczne w

wykonaniu wi

ększej liczby kanałów),

− du

ża wrażliwość na zakłócenia,

1

2

3

4

UP

P

5

A/C

6

USSD

7

DK

Mikrokomputer

8

Pami

ęć

1

2

3

4

UP

P

5

A/C

6

USSD

7

DK

1

2

3

4

UP

P

5

A/C

6

USSD

7

DK

Multiplekser cyfrowy

Sz

yn

a

da

ny

ch

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 7 -

− mała szybko

ść działania.

Systemy z multiplekserem cyfrowym charakteryzuje si

ę tym, że systemem kieruje

mikrokomputer, a w jego pami

ęci zapisywane są wyniki pomiarów, które mogą być

odtwarzane w zale

żności od potrzeb. Zaletami takiego systemu są:

− du

ża szybkość pomiarów,

− zmniejszona wra

żliwość na zakłócenia

W skład systemów z multiplekserem cyfrowym (rys.3.3) wchodz

ą:

− tory pomiarowe składaj

ące się z czujników, układów kondycjonowania sygnałów,

wzmacniaczy, układów próbkuj

ąco – pamiętających przetworników A/C,

− multiplekser cyfrowy zło

żony z układów sterowania szyn danych (USDD) i dekoderów

kanałów, umo

żliwiających doprowadzanie sygnałów poszczególnych torów do szyn

danych [9].

Niezale

żnie od stosowanych technologii każdy system pomiarowy można przedstawić

za pomoc

ą uogólnionego schematu blokowego (rys.3.4). Podział na poszczególne bloki

wynika z ró

żnych funkcji, jakie mają one do spełnienia, a zadaniem systemu pomiarowego

jest poł

ączenie tych bloków w jedną całość. Organizacja fizyczna systemu nie zawsze

pokrywa si

ę z jego podziałem funkcjonalnym. Bloki funkcjonalne mogą być realizowane w

sposób sprz

ętowy, programowy lub mieszany, sprzętowo – programowy.

Rysunek 3.4 Schemat funkcjonalny systemu pomiarowego (cienkie linie ze strzałkami
oznaczaj

ą sygnały analogowe, grube linie – sygnały cyfrowe.[14]

Blok

g e n e r a c j i

s y g n a ł ó w

O BI E K T

P O M I A R O W Y

C z u j n i ki

p om i a r ow e

Blok

a kw i z y c j i

s y g n a ł ó w

Blok

p r z e t w a r z a n i a

d a n y c h

Blok s t e r u j ą c y ( kon t r ole r )

Blok

kom u n i ka c j i

z u ż y t kow n i ki e m

C / A , C / C

S y g n a ł y p om i a r ow e

A / A

A / C

C / C

O p e r a t or s y s t e m u

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 8 -

Podstawowe bloki funkcjonalne systemu pomiarowego s

ą następujące:

-

blok komunikacji z u

żytkownikiem pozwalający na wprowadzanie i wyprowadzanie

informacji; w systemach komputerowych wprowadzanie informacji odbywa si

ę przy

pomocy klawiatury, myszki lub innych urz

ądzeń służących do komunikacji z

komputerem, a wyprowadzanie informacji najcz

ęściej przy pomocy ekranu monitora,

ale te

ż przy pomocy rejestratorów cyfrowych,

-

blok steruj

ący jest odpowiedzialny za realizację złożonego algorytmu działania

systemu pomiarowego; mo

że on działać według stałego algorytmu pomiarowego

(sterowniki układowe) lub według programu realizowanego przez procesor cyfrowy,

-

blok generacji sygnałów mo

że być wykorzystany w przypadku, gdy zachodzi

konieczno

ść wytworzenia sygnałów wymuszających, odniesienia, sterujących lub

wyprowadzenia wyników pomiarów w formie analogowej,

-

czujniki pomiarowe umo

żliwiające odbiór informacji z obiektu fizycznego, którego

parametry podlegaj

ą identyfikacji w procesie pomiarowym,

-

blok akwizycji sygnałów po

średniczy pomiędzy czujnikami pomiarowymi a blokiem

przetwarzania danych, odpowiada za zbieranie sygnałów pomiarowych i ich
dyskretyzacj

ę, realizuje funkcje wstępnej normalizacji sygnału oraz przetwarzania

analogowo – cyfrowego,

-

blok przetwarzania danych, którego zadaniem jest cyfrowa obróbka sygnałów

pomiarowych zgodnie z przyj

ętym algorytmem.

Układy pomiarowe wchodz

ące w skład systemów mogą być umieszczone bezpośrednio w

obudowie komputera lub poł

ączone z nim za pomocą interfejsu. Karty pomiarowe

umieszczone w komputerze wykorzystuj

ą jego zasoby posługując się jedną z magistrali

wewn

ętrznych (tab.3.1), natomiast do komunikacji kart zewnętrznych stosowane są specjalne

poł

ączenia tzw. interfejsy, o różnym standardzie, szybkości przesyłania danych i możliwym

zasi

ęgu przesyłu.

Tabela 3.1

Magistrale komputera umo

żliwiające podłączenie sprzętu pomiarowego [8]

Nazwa magistarli

Zastosowanie

ISA

w starszych komputerach.

PCI

powszechne w PC.

PXI

w komputerach przemysłowych

PCMCIA

w komputerach przeno

śnych.

Systemy pomiarowe, w których skład wchodz

ą mikrokomputery z wbudowanymi kartami

pomiarowymi stanowi

ą udoskonaloną kontynuację omówionych wcześniej układów z

przetwornikiem analogowym, a systemy oparte na magistralach zewn

ętrznych (GPIB),

modułowe (VXI), oraz przemysłowe nale

ż do typu systemów z multiplekserem cyfrowym.

W dalszym ci

ągu podano krótkie charakterystyki wybranych systemów pomiarowych.

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 9 -

Systemy z kartami pomiarowymi. Podstawowymi elementami systemów opartych na
kartach pomiarowych s

ą tzw. karty zbierania (akwizycji) danych (ang. data acquisition cards).

W zwi

ązku z tym, że do karty należy doprowadzić sygnał elektryczny o określonym

poziomie, w skład systemów musz

ą wchodzić następujące elementy:

-

komputer osobisty,

-

przetworniki pierwotne (czujniki),

-

moduły kondycjonowania sygnałów,

-

karty analizy danych,

-

oprogramowanie,

Znaczenie i zadania, jakie maj

ą do spełnienia poszczególne elementy w systemach

opartych na kartach pozyskiwania danych, omówione zostan

ą w rozdziale 2.1.

Zaletami tych systemów s

ą:

-

szybki, dost

ęp, tzw. rejestrowy

-

mo

żliwość szybkiej komunikacji z pamięcią przy pomocy mechanizmu DMA (ang.

direct memory access), co pozwala na ci

ągły zapis na dysk danych pomiarowych z

szybko

ścią odpowiadającą częstotliwości próbkowania 1,5 MB/s,

-

rozdzielczo

ść od 12 ÷24 bitów,

-

prosta obsługa programowa przy wykorzystania sterowników dostarczanych przez

producentów kart,

-

mo

żliwość multipleksowania wielu kanałów wejściowych, najczęściej 4 ÷ 16.

Do wad nale

ży zaliczyć:

-

zakłócenia pochodz

ące z wnętrza komputera,

-

brak filtrów antyaliasingowych,

-

brak mo

żliwości próbkowania kilku kanałów jednocześnie [14].

Wymienione powy

żej zalety i wady systemów opartych na kartach pomiarowych dotyczą

jedynie tych, które wykorzystuj

ą karty wielofunkcyjne, uniwersalne. Obecnie producenci

oferuj

ą karty o wysokiej specjalizacji; bardzo szybkie (ang. high speed, o częstotliwości

próbkowania mierzonej w MHz), o wysokiej rozdzielczo

ści (ang. high resolution) lub

wielowej

ściowe (do kilkudziesięciu wejść pomiarowych).

Systemy z magistralą GPIB. Systemy oparte na magistrali GPIB (ang. general purpose

interface bus) wykorzystuj

ą równoległy port pomiarowy (8 - bitowy + 5 linii sterujących + 3

linie kontroli transmisji), znany równie

ż pod nazwami IEC 625, IDEE 488 lub HPIB, w który

wyposa

żane są praktycznie wszystkie obecnie produkowane cyfrowe przyrządy pomiarowe.

Dzi

ęki temu, że urządzenia podłączane są do magistrali równoległej systemy oparte na tej

technologii maj

ą charakter otwarty i elastyczny, gdyż w prosty sposób można podłączyć do

nich nowe urz

ądzenia.

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 10 -

Rysunek 3.5 Przykłady konfiguracji systemu pomiarowego z interfejsem IEC-625:
a) liniowa, b) gwiazdowa

Przesyłanie informacji odbywa si

ę asynchronicznie w postaci bajtów, ze zwrotnym

potwierdzaniem odbioru. Programowanie systemu ma miejsce przy pomocy rozkazów w
formie wyra

żeń tekstowych. Do magistrali IEC-625 można podpiąć jednocześnie do 15

urz

ądzeń, odległość między najbliższymi sąsiadami nie powinna przekraczać 2m, natomiast

całkowita długo

ść wszystkich kabli - 20m. Magistrala systemu składa się z 16

kompatybilnych ze standardem TTL linii sygnałowych (8 linii danych i 8 sterowania) oraz z 8
linii uziemienia.

Urz

ądzenia połączone za pomocą magistrali IEC-625 można podzielić na cztery grupy;

-

odbiorcy, maj

ących jedynie możliwość odbierania danych (np. generatory, drukarki),

-

nadawcy, jedynie wysyłaj

ący dane (np. liczniki, termometry),

-

nadawcy/odbiorcy, którzy mog

ą zarówno odbierać jak i wysyłać dane (np. multimetr,

oscyloskop),

-

kontroler, jednostka steruj

ąca, która może również spełniać rolę nadawcy i odbiorcy.

Urz

ądzenia wchodzące w skład systemu wykorzystującego magistralę IEC-625 mogą być

ł

ączone w konfiguracji liniowej lub gwiaździście (rys. 3.5). Głównym zadaniem magistrali

jest przesyłanie informacji pomi

ędzy dwoma lub więcej urządzeniami. Przed rozpoczęciem

przesyłania przez kontrolera ustalany jest adres konkretnego odbiorcy, który został wcze

śniej

nadany ka

żdemu z urządzeń przez użytkownika systemu.

Wadami systemu s

ą:

-

lokalny zasi

ęg,

-

ograniczona liczba urz

ądzeń,

-

stosunkowo wolna praca, wynikaj

ąca z konieczności interpretacji komend przez

przyrz

ądy pomiarowe.

Komputer

U rz ą d z en i e A

U rz ą d z en i a B

U rz ą d z en i a c

Komputer

U rz ą d z en i e A

U rz ą d z en i a B

U rz ą d z en i a C

U rz ą d z en i e D

a)

b)

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 11 -

Wymienione wady mo

żna zniwelować stosując specjalne urządzenia. Ilość podłączanych

przyrz

ądów zwiększa z 15 do 28 tzw. ekspander magistrali, przezroczysty dla przechodzące

przez niego sygnały. W systemie mo

żna umieścić większą liczbę ekspanderów. Mały zasięg

zwi

ększa się po zastosowaniu tzw. ekstendera, urządzenia dokonującego konwersji sygnału z

magistrali IEC-625 na sygnał szeregowy mo

żliwy do przesyłania kablem elektrycznym lub

światłowodowym. W zależności od typu zastosowanego ekstendera długość przewodów może
ulec zwi

ększeniu nawet do 2km. Dodatkowo ekstender spełnia funkcję podobną jak

ekspander magistrali.

Systemy modułowe oparte na interfejsie VXI. Modułowe systemy pomiarowe VXI
powstały wskutek konieczno

ści znormalizowania wymiarów i interfejsów elementów

systemów pomiarowych wielu firm i umo

żliwienia budowy systemów złożonych,

zapewniaj

ących pełną wymienność i prawie nieograniczony dobór poszczególnych

przyrz

ądów pomiarowych. Interfejs VXI (ang. VME eXtensions for Instrumentation) powstał

na bazie magistrali systemu modułowego, oznaczonego skrótem VME (ang. Versamodule
Eurocard Bus), który charakteryzował si

ę znormalizowanymi wymiarami poszczególnych

modułów i kaset, typami zł

ącz, wartościami napięć zasilających, sygnałami sterującymi oraz

sposobem przesyłania danych.

Systemy VXI wyposa

żone są w specjalnie rozszerzoną magistralę komputerową do

potrzeb pomiarowych – zawieraj

ącą maksymalnie 3 x 96 styków. Są ekranowane

wewn

ętrznie i posiadają lokalne (między układowe) interfejsy

Rysunek 3.6 Porównanie ró

żnych sposobów kontroli modułów VXI pod kątem szybkości

transmisji [9]

Rozró

żnia się trzy rodzaje sterownia systemem:

-

wbudowane w komputer (embedded – zagnie

żdżone) – jest ono najszybsze,

Rodzaj kontrolera

S

zy

bk

o

ść

tr

an

sm

is

ji

V

X

I

GPIB-V X I

M X I-1

K i t s

M X I-2

K i t s

V X I-A T 4 0

V X Ip c -4 8 6

E m b e d d e d

M X I-2

K i t s

V X I-PC 8 0 x x

V X Ip c -8 5 0

E m b e d d e d

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 12 -

-

przez sprz

ęg MXI (ang. Multisystem eXtension Interface) – na zasadzie przeniesienia

bezpo

średniego magistrali PC na VXI,

-

przez magistral

ę GPIB i kontroler GPIB/VXI.

Zaletami takich systemów s

ą: duża szybkość oraz możliwość wykorzystania w ich strukturze

profesjonalnych przyrz

ądów pomiarowych bez płyt czołowych z interfejsem GPIB. Są to

obecnie najbardziej zaawansowane technologicznie systemy pomiarowe i wła

ściwie ich

jedyn

ą wadą jest bardzo wysoka cena.

Systemy przemysłowe. Systemy przemysłowe odznaczaj

ą się dużą niezawodnością i są

przystosowane do pracy równoległej (jeden pracuje, drugi czuwa lub kontroluje) oraz w
konfiguracji sieciowej – z kontrolerami instalowanymi w w

ęzłach pomiarowych. Są one na

ogół przeznaczone do badania wolnych przebiegów (kilka pomiarów na sekund

ę) i przy

odległo

ściach punktu pomiarowego od systemu do 23 km.

Systemy z czujnikami inteligentnymi. Przedstawione wcze

śniej systemy pomiarowe oparte

na wykorzystaniu kart pomiarowych wymagały kosztownego, cz

ęsto trudnego, a w

niektórych warunkach nawet niemo

żliwego do wykonania okablowania odpornego na

zakłócenia i mechaniczne uszkodzenia. Konieczno

ść umieszczenia modułów

kondycjonowania sygnałów jak najbli

żej czujników pomiarowych, w celu ograniczenia

wpływów zewn

ętrznych na wynik pomiaru, spowodowało rozwój nowej dziedziny techniki

pomiarowej polegaj

ącej na tzw. rozpraszaniu inteligencji. Polega ona na umieszczaniu –

mo

żliwie najbliżej czujników – dodatkowych mikroprocesorów, które przejmują od głównego

kontrolera (komputera) realizacj

ę wszystkich działań programowych związanych z bieżącym

funkcjonowaniem tych czujników. Czujnik, obok procesora, wyposa

żony jest w standardowy

interfejs, co pozwala na zastosowanie topologii szyny ze wszystkimi zaletami tego
rozwi

ązania, jak choćby komunikacji z innymi przetwornikami. Obecnie poszukiwany jest

standard protokołu transmisji danych dla takiego rozwi

ązania. Najbardziej atrakcyjny wydaje

si

ę tu interfejs RS-485 (charakteryzujący się transmisją szeregową i prostym okablowaniem),

w poł

ączeniu z osobną linią zasilającą.

4. Oprogramowanie systemów pomiarowych

Technika komputerowa wprowadziła do projektowanego systemu pomiarowego jeszcze

jeden wa

żny element, który w istotny sposób decyduje o jego możliwościach i

funkcjonalno

ści. Jest to oprogramowanie, czyli zapisany w odpowiednim języku

programowania algorytm działania systemu pomiarowego, który obejmuje cz

ęstotliwość i

kolejno

ść wykonywania pomiarów, akwizycję danych, analizę, przetworzenie i

przedstawienie wyników w wygodnej dla u

żytkownika formie wykresów lub tabel.

Oprogramowanie decyduje te

ż o sposobie archiwizacji zebranych informacji, a w systemach

regulacji automatycznej jego znaczenie jest podstawowe.

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 17 -

Pierwszym i niemal

że pierwotnym sposobem oprogramowywania systemów

pomiarowych jest wykorzystanie j

ęzyka niskiego poziomu posługującego się instrukcjami

mnemonicznymi. J

ęzyk ten, jaki i program przekładający mnemoniki na zrozumiały przez

procesor kod maszynowy, nosi nazw

ą - asembler. Kod programu napisanego w asemblerze

odwołuje si

ę wprost do konkretnych fragmentów pamięci i instrukcji procesora, decydując

dokładnie o czasie i kolejno

ści ich wykonania. Zaletą takiego oprogramowania jest szybkość

oraz niezawodno

ść działania i dlatego jest ono głównie wykorzystywane do systemów

pracuj

ących w czasie rzeczywistym. Wadą programowania w języku niskiego poziomu jest

długi czas przygotowania oprogramowania i brak jego przejrzysto

ści, co utrudnia

wprowadzanie poprawek i modyfikacji oraz trudno

ść w przenoszeniu oprogramowania do

pracy w systemach pracuj

ących z innymi procesorami.

Drugi, klasyczny sposób projektowania systemów pomiarowych polegał na

opracowywaniu od podstaw programu steruj

ącego przy wykorzystaniu do tego celu języków

wysokiego poziomu (np. Basic, Pascal czy te

ż C), wzbogaconych o zestaw poleceń do

komunikacji z przyrz

ądami pomiarowymi umożliwiających wysyłanie i odbiór informacji. W

kolejnych wierszach programu przygotowanego w jednym z tych j

ęzyków (tzw.

programowanie liniowe), umieszcza si

ę kolejne instrukcje. Przygotowanie złożonego

oprogramowania w j

ęzykach wysokiego poziomu jest również bardzo pracochłonne i

skomplikowane.

Kolejnym du

żym krokiem na drodze ku ujednoliceniu i uproszczeniu procesu

projektowania oraz uruchamiania systemów pomiarowych było stworzenie przez
najwi

ększych producentów aparatury pomiarowej dla systemów przemysłowych, standardu

okre

ślającego metody programowania. Zgodnie z tym standardem urządzenia

pomiarowo - kontrolne programuje si

ę jednakowymi komunikatami i instrukcjami

programuj

ącymi. Metoda ta nosi nazwę SCPI (ang. Standard Commands for Programmable

Instruments) i pozwala na pełne zaprogramowanie ka

żdego przyrządu pomiarowego,

niezale

żnie od rodzaju, modelu czy producenta. Rysunek 4.1 przedstawia uogólniony model

przyrz

ądu zgodnego ze standardem SCPI, w którym przedstawiono podstawowe operacje w

postaci bloków funkcjonalnych obejmuj

ących grupy poleceń. Nie są to oczywiście wszystkie

mo

żliwe bloki, gdyż każdy z przyrządów w zależności od swego przeznaczenia może

posiada

ć swoje charakterystyczne bloki funkcjonalne, inne dla np. oscyloskopu a inne dla

generatora.
Oto skrótowe omówienie poszczególnych bloków pokazanych na rysunku 4.1 oraz
dodatkowo kilku innych istotnych, lecz nie uwzgl

ędnionym na podanym schemacie:

-

ROUTe – w urz

ądzeniach pomiarowych – dołączenie sygnałów wprowadzanych na

podane wej

ścia urządzenia do bloku INPut, w urządzeniach generacyjnych –

wyprowadzenie wytworzonego sygnału na zadany port wyj

ściowy,

-

INPut – okre

ślenie właściwości portu wejściowego takich jak tłumienie, wzmocnienie,

filtracja, impedancja wej

ściowa, konfiguracja wejścia itd.,

-

OUTput - okre

ślenie właściwości portu wyjściowego np. tłumienie, filtracja sygnału,

offset, sposób zabezpieczenia wyj

ścia,

-

SENSe – przetwarzanie sygnału na dane wewn

ętrzne przyrządu, określenie zakresu,

rozdzielczo

ści itd.,

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 18 -

-

SOURce – generacja sygnału zgodnie z zadan

ą charakterystyką, określenie amplitudy,

cz

ęstotliwości, parametrów modulacji itd.,

-

CALCulate – wykonanie operacji obliczeniowych, np., wyznaczenie warto

ści średniej,

ekstremów, dokonanie konwersji na

żądane jednostki,

-

FORMat – przetwarzanie danych do postaci, w której mo

żna je przesłać przez wybrany

interfejs, lub przetwarzanie danych odebranych z danego interfejsu,

-

TRIGer – synchronizacja działania przyrz

ądu ze zdarzeniami wewnętrznymi lub

zewn

ętrznymi,

-

MEMory – operacje zwi

ązane z zapamiętywaniem danych w wewnętrznej pamięci

przyrz

ądu, np. zapisywanie, odczytywanie, usuwanie danych,

-

DISPlay – funkcje zwi

ązane z prezentacją danych w postaci graficznej lub tekstowej,

-

SYSTem – ustawienie parametrów konfiguracyjnych takich jak czas, data, ochrona

zasobów urz

ądzenia, konfiguracji interfejsów, a także uzyskiwanie informacji o błędach,

-

STATus – zawiera polecenia umo

żliwiające uzyskanie informacji o stanie urządzenia,

-

INSTrument – umo

żliwia identyfikację i wybór jednego z przyrządów, kiedy urządzenie

składa si

ę z kilku oddzielnych modułów.

Rysunek 4.1 Uogólniony model przyrz

ądu zgodnego z SCPI [8]

Do ka

żdej grupy poleceń należy grupa rozkazów związanych z realizacją określonej

funkcji, a ka

żda grupa posiada swoją podgrupę umożliwiającą dokładne sprecyzowanie

operacji. Jako przykład urz

ądzenia zgodnego ze standardem SCPI można wymienić multimetr

HP34401A słu

żący do pomiaru parametrów elektrycznych: napięcia, prądu, rezystancji,

cz

ęstotliwości i okresu. Po wykonaniu serii pomiarów umożliwia on wyznaczenie z

uzyskanych wyników warto

ści średniej, maksymalnej oraz minimalnej. Multimetr może być

obsługiwany za pomoc

ą jego klawiatury lub za pośrednictwem interfejsu RS-232.

Na pocz

ątku lat dziewięćdziesiątych wielkie firmy produkujące aparaturę pomiarową

zaj

ęły się pracami nad systemami wspomagającymi projektowanie, które reprezentowałyby

du

że możliwości i łatwość obsługi. Wpływ na powstanie nowych pakietów programowych

Generowanie sygnałów

ROUTe

I N P u t

S E N S e

C A L C u l a t e

F ORM a t

P om iar

S Y S Tem

TRI G er

M E M o r y

D I S P l a y

ROUTe

OUTp u t

S OURc e

C A L C u l a t e

F ORM a t

Ma

gi

str

ala

d

an

yc

h

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 19 -

miały dwa czynniki. Z jednej strony powszechno

ść języków programowania wyższego

poziomu, takich jak Pascal czy C, z drugiej nowy, graficzny system operacyjny firmy
Microsoft, popularne okienka w kolejnych udoskonalanych wersjach.

Oprogramowanie współczesnych systemów pomiarowych wykonuje si

ę przy pomocy

specjalistycznych

środowisk programowania, przyjaznych dla użytkownika (ang. user

friendly), umo

żliwiające osobom bez przygotowania informatycznego opracowanie

oprogramowania zło

żonych systemów. Najważniejszą zaletą tych środowisk

programistycznych jest komunikatywna grafika, umo

żliwiająca przygotowanie graficznego

interfejsu u

żytkownika (GUI – ang. Graphical User Interface) w postaci umożliwiającej łatwą

obsług

ę systemu pomiarowego i przejrzystą wizualizację stanu, w jakim się znajduje przyrząd

pomiarowy oraz obiekt pomiarów. Komunikacja z urz

ądzeniami zewnętrznymi, np. kartami

pomiarowymi odbywa si

ę za pomocą przygotowanych przez producenta sprzętu specjalnymi

podprogramami obsługuj

ącymi te urządzenia. Podprogramy te noszą nazwę sterowników

(ang. driver) i s

ą przygotowywane do współpracy z większością powszechnie stosowanych

systemów operacyjnych, co gwarantuje wytwórcom aparatury pomiarowej szerokie
zainteresowanie ich produktami.

Poniewa

ż konkurencja w branży producentów sprzętu pomiarowego jest obecnie ogromna

i powstaj

ąca aparatura nie różni się w istotny sposób swoimi możliwościami oraz jakością,

najwi

ęksi z wytwórców oferują przygotowane przez siebie własne środowiska

programistyczne. Firmowe systemy programowania zawieraj

ą dołączone sterowniki do

wszystkich produkowanych przez dan

ą firmę urządzeń pomiarowych oraz dodatkowo

umo

żliwiają instalowanie i wykorzystywanie sterowników do aparatury innych producentów

gdy

ż w większości przypadków są one ogólnie dostępne np. w Internecie.
Przoduj

ącym producentem systemów pomiarowych oraz specjalistycznego

oprogramowania od wielu lat jest firma National Instruments. Jej dziełem jest chyba
najwszechstronniejsze, o najwi

ększych możliwościach, oprogramowanie wspomagające

proces projektowania oraz u

żytkowania złożonych systemów pomiarowych. Jednym z

najbardziej popularnych jest

środowisko programowania systemów pomiarowych o nazwie

LabWindows oraz LabWindows/CVI. Pierwsze z nich przygotowane było do współpracy z
systemem operacyjnym DOS i opierał si

ę na języku C oraz Quick Basic, natomiast drugie

wykorzystuje

środowisko Windows i obecnie w związku z powszechnością stosowania tego

systemu operacyjnego jest bardziej popularne. LabWindows/CVI jest ch

ętnie stosowane przez

informatyków ze wzgl

ędu na możliwość bezpośredniej ingerencji w kod programu, który

powstaje niejako automatycznie podczas procesu projektowania.

Podstawowe cechy

środowiska LabWindows/CVI to:

-

programowanie tylko w j

ęzyku ANSI C, ale za to możliwość korzystania z bibliotek

DLL (Dynamic Link Libraries), modułów obiektowych w j

ęzyku C,

-

rozbudowane biblioteki akwizycji, analizy i prezentacji danych oraz nowe biblioteki

umo

żliwiające pracę w sieci (TCP/IP, DataSocket, ActiveX Automation) i

mi

ędzyprocesową wymianę danych DDE (Dynamic Data Exchange),

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 20 -

-

narz

ędzia do tworzenia sterowników przyrządów oraz tworzenia przyrządów

wirtualnych,

-

mo

żliwość tworzenia aplikacji oraz pakietów pracujących poza środowiskiem,

-

kompatybilno

ść ze standardem bibliotecznym wejścia/wyjścia standardu VISA

(Virtual Instruments Software Architecture), do sterowania instrumentami z
interfejsem np.RS-232,

-

wielozadaniowo

ść,

-

automatyczna alokacja i dealokacja pami

ęci [10].

Projektowanie systemu pomiarowego mo

żna podzielić na kilka etapów:

1)

etap wst

ępny, polegający na określeniu podstawowych funkcji i parametrów systemu,

dobór sprz

ętu oraz analiza sterownika pod kątem przydatności, ewentualnie

zaprojektowanie własnego,

2)

projekt panelu czołowego, a w tym wybór i rozmieszczenie na panelu potrzebnych do

realizacji odpowiednich funkcji obiektów steruj

ących i wykonanie szaty graficznej,

3)

projekt oprogramowania, a wi

ęc wygenerowanie szkieletu programu i ewentualne

uzupełnienie procedurami obsługi zdarze

ń,

4)

etap ostatni – uruchomienie oprogramowania.

Prac

ę w środowisku LabWindows/CVI można zamknąć w dwóch etapach: tworzenie

panelu czołowego oraz tworzenie i ewentualnie uzupełnianie kodu obsługi zdarze

ń.

W kilka lat po powstaniu LabWindows stworzone zostało pierwsze, w pełni graficzne

środowisko tworzenie oprogramowania polegające na łączeniu tzw. ikon noszące nazwę
LabView. U podstaw powstania LabView legło uproszczenie procedur i odej

ście od

tradycyjnego sposobu programowania oraz umo

żliwienie pracy w środowisku użytkownikom

nie maj

ącym nigdy nic wspólnego z językami programowania wyższego rzędu.

Podstawowe cechy

środowiska LabView to:

-

graficzne projektowanie aplikacji systemowej składaj

ącej się z panelu czołowego

b

ędącego graficznym interfejsem użytkownika, diagramu blokowego, stanowiącego

kod

źródłowy oprogramowania opracowany w języku G, oraz schematu połączeń

wskazuj

ących kierunek przepływu danych między blokami funkcjonalnymi, które

posiadaj

ą swoje wejścia oraz wyjścia danych (podejście hierarchiczno-modułowe),

-

graficzny kompilator j

ęzyka G,

-

mo

żliwość pracy w sieci komputerowej (wykorzystanie protokołów transmisji

TCP/IP, DDE oraz bibliotek ActiveX,

-

kompatybilno

ść ze standardem bibliotecznym wejścia/wyjscia standardu VISA

(Virtual Instruments Software Architecture), do sterowania instrumentami z
interfejsem np.RS-232,

-

wielozadaniowo

ść wewnętrzna i zewnętrzna,

-

rozbudowana biblioteka funkcji doł

ączonych, np. matematycznych i statystycznych.

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 21 -

Poszczególne etapy projektowania w

środowisku LabView to:

1)

etap wst

ępny polegający na określeniu podstawowych funkcji i parametrów, dobór

cz

ęści sprzętowej, analiza sterownika;

2)

tworzenie panelu graficznego: umieszczenie na panelu niezb

ędnych elementów,

przeł

ączników, wskaźników, suwaków i elementów graficznych;

3)

tworzenie graficznego kodu

źródłowego: rozmieszczenie i połączenie na diagramie

ikon reprezentuj

ących obiekty umieszczone na panelu graficznym oraz wstawienie

wymaganych dodatkowych elementów i procedur takich jak: p

ętle, instrukcje

warunkowe i sekwencje;

4)

uruchomienie i testowanie programu.

Opracowywanie systemu pomiarowego w

środowisku LabView obejmuje tworzenie

panelu graficznego jako interfejsu u

żytkownika oraz graficznego kodu źródłowego. Podczas

programowania wykorzystuje si

ę narzędzia i funkcje nie mające bezpośredniego związku z

projektowaniem. LabView posiada rozbudowan

ą pomoc kontekstową oraz praktyczne

narz

ędzia do debugowania, jednak programista nie może w pełni panować nad kodem

programu, to znaczy modyfikowa

ć dowolnie wykorzystywanych w opracowywanej aplikacji

funkcji. Ze wzgl

ędu na przydatność oprogramowania w laboratoriach pomiarowych należy

wspomnie

ć o rozbudowanej bibliotece funkcji matematycznych, a w szczególności funkcji

słu

żących obróbce i analizie sygnałów pomiarowych

Id

ąc w ślady swoich konkurentów, również inni znani producenci aparatury pomiarowej

stworzyli własne

środowiska programistyczne. Postąpiła tak w latach dziewięćdziesiątych

firma Hewlett-Packard i stworzyła

środowisko o nazwie VEE 6 oferowane obecnie przez

firm

ę Agilent Technologies, która powstała po rozłamie firmy na dwie części: pomiarową i

komputerow

ą. Zasada działania oprogramowania oparta jest na podobnych przesłankach, co

LabView i programista pracuje w

środowisku graficznym. Podobne założenia przyjęli

podczas tworzenia swojego oprogramowania twórcy

środowiska DasyLab, firma Dasytec.

Równie

ż tutaj programista wykorzystuje język graficzny do tworzenia aplikacji, lecz w

porównaniu ze swoim pierwowzorem -

środowiskiem LabView - posiada znacznie słabiej

rozbudowan

ą bibliotekę funkcji matematycznych i obiektów.

W 1993 roku kolejny potentat w produkcji sprz

ętu pomiarowego firma Keithley

Instruments zdecydowała si

ę na stworzenie własnego środowiska programowania systemów

pomiarowych – TestPoint.

Środowisko to łączy ze sobą elementy projektowania zarówno

graficznego jak i tekstowego. Opracowywanie oprogramowania systemu pomiarowego
odbywa si

ę w niekonwencjonalny sposób poprzez wybór odpowiednich obiektów, nadanie im

wymaganych cech i okre

ślenie wzajemnych relacji. Środowisko TestPoint będzie dokładnie

omówione w rozdziale 2 niniejszego opracowania.

Na zako

ńczenie części poświęconej metodom oprogramowywania systemów

pomiarowych nale

ży wspomnieć o systemach czasu rzeczywistego. Program powstaje tu w

trzech etapach. Najpierw w

środowisku programistycznym pod systemem Windows

poł

ączonym ze sprzętem, np. LabView RealTime. Następnie program jest ładowany do

urz

ądzenia czasu rzeczywistego przez połączenie Ethernet lub magistralę PCI. Po

załadowaniu programu wybór odpowiedniego polecenia powoduje,

że system rozpoczyna

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

- 22 -

prac

ę. Charakterystyczną cechą tych systemów jest to, że posiadają one własny procesor i

program po załadowaniu do niego b

ędzie pracował niezależnie od komputera, nawet po jego

wył

ączeniu lub przerwaniu połączenia.

Nowoczesne, wspomagane technik

ą komputerową systemy pomiarowe

23

Literatura:

[1]

D.

Świsulski: Laboratorium z systemów pomiarowych, Wyd. Politechniki

Gda

ńskiej, Gdańsk 1998

[2]

J. W. Wyrzykowski, E.Pleszakow, J.Sieniawski: Odkształcanie i p

ękanie metali,

WNT, Warszawa 1999

[3]

Metody do

świadczalne mechaniki ciała stałego, Praca zbiorowa pod redakcją

W Szczeci

ńskiego, Mechanika Techniczna Tom X, PWN, Warszawa 1984

[4]

S. Katarzy

ński, S. Kocańda, M. Zakrzewski: Badanie własności mechanicznych

metali, WNT, Warszawa 1967

[5]

J Kostro: Elementy, urz

ądzenia i układy automatyki, Wyd. Szkolne i

Pedagogiczne, Warszawa 1983

[6]

C. Kalista, Karty I/O do systemów akwizycji danych, Automatyka 4/2000

[7]

Z. Kulka, A. Libura M, Nadachowski: Przetworniki analogowo-cyfrowe i

cyfrowo-analogowe, Wydawnictwo Komunikacji i Ł

ączności, Warszawa 1987.

[8]

P. Lesiak, D.

Świsulski: Komputerowa technika pomiarowa w przykładach,

Pomiary Automatyka Kontrola- czasopismo techniczne, Warszawa 2002

[9]

A. Chwaleba, M. Poni

ński, A. Siedlecki: Metrologia elektryczna, WNT, Warszawa

2000

[10]

W. Winiecki, J. Nowak, S. Stanik: Graficznie zintegrowane

środowiska

programowe do projektowania Komputerowych systemów pomiarowo-
kontrolnych, Wydawnictwo MIKOM, Warszawa 2001

[11]

M. Jakubowska, Organizacja komputerowych systemów pomiarowych, Strona

internetowa: http://galaxy.agh.edu.pl/~kca/

[12]

M. Jakubowska, Technika cyfrowa w instrumentalnych metodach, Strona

internetowa: http://galaxy.agh.edu.pl/~kca/

[13]

M. Jakubowska, Przetworniki cyfrowo – analogowe oraz analogowo – cyfrowe,

Strona internetowa:http://galaxy.agh.edu.pl/~kca/

[14]

M. Jakubowska, Organizacja komputerowych systemów pomiarowych, Strona

internetowa: http://galaxy.agh.edu.pl/~kca/

[15]

W. Tłaczała

Środowisko LabView w eksperymencie wspomaganym

komputerowo, WNT, Warszawa 2002.

[16]

M. M Stabrowski, Miernictwo elektryczne, Cyfrowa technika pomiarowa, Oficyna

Wydawnicza PW, Warszawa 1999

[17]

W. S. Kwiatkowski, Miernictwo elektryczne, Analogowa technika pomiarowa,

Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1999