Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH

Katedra Chemii Analitycznej

Organizacja komputerowych systemów pomiarowych

Przedmiot: Komputery w pracach eksperymentalnych

Notatki z wykładu

Opracowanie:

dr Małgorzata Jakubowska

Kraków 2002

Wstęp

Świat wokół nas złożony jest z obiektów, których właściwości możemy poznać z wykorzystaniem procedur pomiarowych. Pomiar stanowi więc ważne ogniwo interpretacji świata zewnętrznego, pozwalające przypisać wartości liczbowe interesującym nas cechom obiektów, a system pomiarowy jest obecnie podstawowym narzędziem realizacji technicznej pomiarów.

System pomiarowy to odpowiednio zorganizowany zestaw elementów stanowiących całość organizacyjną objętych wspólnym sterowaniem przeznaczonych do wydobycia informacji z badanego obiektu i przekazania jej obserwatorowi w użytecznej formie.

Struktura i organizacja systemów pomiarowych zależne są od przeznaczenia, sposobu i szybkości przetwarzania informacji pomiarowej, sposobu oddziaływania systemu na obiekt lub proces itp. Wprowadzanie klasyfikacji systemów pomiarowych z zastosowaniem różnorodnych kryteriów umożliwia przestawienie zakresu i sposobu ich działania.

Klasyfikacja systemów pomiarowych

Podział ze względu na przeznaczenie:

• badawcze: stosowane są głównie w pomiarach naukowych, których celem jest empiryczna weryfikacja hipotez

• pomiarowo - kontrolne: stanowią integralną część każdego procesu technologicznego, umożliwiając jego automatyzację, pozwalają na pomiar znacznej liczby parametrów

• pomiarowo - diagnostyczne: służą detekcji, lokalizacji, identyfikacji lub predykcji uszkodzeń obiektów (np. diagnostyka techniczna, diagnostyka medyczna).

Podział ze względu na zasięg terytorialny:

• skupione: umiejscowione w jednym pomieszczeniu

• rozproszone: zlokalizowane w wielu pomieszczeniach a nawet budynkach.

Podział ze względu na oddziaływanie na badany obiekt:

• aktywne: system może oddziaływać na badany obiekt w celu stworzenia odpowiednich warunków do wykonania doświadczenia

• pasywne: są pozbawione możliwości oddziaływania na obiekt.

Przetwarzanie sygnałów w systemie pomiarowym

Pomiar może być traktowany jako proces uzyskiwania informacji o obiekcie mierzonym. Informacja ta jest przenoszona przez sygnały. Na ogół pod pojęciem sygnału pomiarowego rozumie się zjawisko lub obiekt fizyczny, którego cechy przenoszą informację o wielkościach mierzonych lub wzorcowych. Przetwarzanie sygnałów należy do podstawowych operacji służących do uzyskiwania, przekazywania i wykorzystywania informacji. W zależności od rodzaju przetwarzanych sygnałów rozróżnia się cztery typy przetwarzania:

• analogowe (A/A) - przetwarzanie sygnału analogowego na analogowy

• analogowo - cyfrowe (A/C) - przetwarzanie sygnału analogowego na cyfrowy

• cyfrowo - analogowe (C/A) - przetwarzanie sygnału cyfrowego na analogowy

• cyfrowe (C/C) - przetwarzanie sygnału cyfrowego na cyfrowy.

Wielkości identyfikujące obiekt, który chcemy poznać, mogą być mierzone metodami, polegającymi na przetwarzaniu sygnałów niosących informacje na sygnały elektryczne. Uzyskana informacja jest następnie konwertowana na kod cyfrowy i poddawana dalszym operacjom przetwarzania cyfrowego. Wyniki pomiaru przedstawiane są w formie wizualnej.

Rys. 1 Model elektrycznego pomiaru cyfrowego:

x(t) - sygnał pomiarowy

A/A - przetwarzanie analogowe sygnału

u(t) - sygnał pomiarowy napięciowy

U/C - przetwarzanie wartości napięcia na kod cyfrowy

T/C - przetwarzanie odstępów czasu charakteryzujących sygnał na kod cyfrowy

C/C - przetwarzanie cyfrowe

C/A - przetwarzanie cyfrowo - analogowe

(przekształcanie do formy wymaganej przez użytkownika lub urządzenie np. w celu zwrotnego oddziaływania na obiekt pomiarowy)

y(t) - wynik pomiaru

W ogólnym modelu systemu pomiarowego dowolny pomiar zostaje sprowadzony do jedno- lub wieloetapowym przetwarzania sygnału wejściowego, co pokazano na rys. 1. Można wyróżnić następujący zbiór funkcji elementarnych, realizowanych w systemie pomiarowym:

• przetwarzanie natury fizycznej sygnału (sprowadzenie sygnału do postaci najwygodniejszej do dalszego przetwarzania, na ogół do postaci sygnału elektrycznego - napięciowego lub prądowego)

• przetwarzanie parametrów amplitudowych lub czasowych sygnału (przekształcanie sygnału z postaci analogowej na postać cyfrową)

• przetwarzanie kodu cyfrowego na napięcie lub czas (wytworzenie właściwego środowiska pomiarowego, zwrotne oddziaływanie na obiekt - programowanie wzorcowych wartości napięcia i czasu, dostosowanie danych w systemie do możliwości urządzeń wykonawczych)

• przetwarzanie danych (przekształcanie kodu cyfrowego w oparciu o automaty o stałym algorytmie lub programy komputerowe)

• przetwarzanie struktury sygnału (dopasowanie bloków funkcjonalnych systemu np. w celu przesyłania danych poprzez złącze interfejsu)

• koordynacja czasowa i przestrzenna (sterowanie).

Schemat funkcjonalny systemu pomiarowego

Każdy system pomiarowy można przedstawić za pomocą jednego, uogólnionego schematu funkcjonalnego (rys. 2). Schemat ten jest niezależny od technologii, według której zrealizowany został system. Poszczególne bloki, które wchodzą w skład systemu realizują różne funkcje. Konsekwencją podziału systemu pomiarowego na bloki funkcjonalne jest konieczność połączenia poszczególnych części systemu w jedną całość tak, aby możliwe było osiągnięcie zadanego, wspólnego celu. Organizacja fizyczna systemu nie zawsze pokrywa się z jego podziałem funkcjonalnym. Każdy element systemu może odpowiadać jednemu lub kilku blokom funkcjonalnym. Bloki funkcjonalne mogą być realizowane w sposób sprzętowy, sprzętowo - programowy lub czysto programowy.

Rys. 2. Schemat funkcjonalny systemu pomiarowego (cienkie linie ze strzałkami oznaczają sygnały analogowe, grube linie - sygnały cyfrowe).

Podstawowe bloki funkcjonalne systemu pomiarowego:

• blok komunikacji z użytkownikiem pozwala na wprowadzanie i wyprowadzanie informacji; wprowadzanie: przełączniki w systemach bezkomputerowych oraz klawiatura, mysz, dyskietka lub pióro świetlne w systemach skomputeryzowanych; wyprowadzanie: rejestratory cyfrowe lub analogowe, monitory ekranowe

• kontroler to urządzenie odpowiedzialne za realizację złożonego algorytmu działania systemu pomiarowego, działa według stałego algorytmu pomiarowego (sterowniki układowe) lub według programu realizowanego przez procesor cyfrowy

• blok generacji sygnałów może być wykorzystany w przypadku, gdy zachodzi konieczność wytworzenia sygnałów wymuszających, odniesienia, sterujących lub wyprowadzenia wyników pomiarów w formie analogowej

• czujniki pomiarowe to elementy umożliwiające odbiór informacji z obiektu fizycznego, którego parametry podlegają identyfikacji w procesie pomiarowym; czujniki wielkości fizycznych, czujniki wielkości chemicznych

• blok akwizycji sygnałów pośredniczy pomiędzy czujnikami pomiarowymi a blokiem przetwarzania danych, odpowiada za zbieranie sygnałów pomiarowych i ich dyskretyzację, realizuje funkcje wstępnej normalizacji sygnału oraz przetwarzania analogowo - cyfrowego

• blok przetwarzania danych, którego zadaniem jest cyfrowa obróbka sygnałów pomiarowych zgodnie z przyjętym algorytmem.

Istotne parametry systemu pomiarowego

Jeżeli mamy zdefiniowany sygnał analogowy, to należy określić parametry systemu pomiarowego, który dokona konwersji sygnału wejściowego na postać zrozumiałą dla komputera. Przede wszystkim należy określić następujące parametry przetwornika analogowo - cyfrowego:

• rozdzielczość

• zakres sygnału wejściowego

• zakres pracy przetwornika.

Rozdzielczość to liczba bitów używana do reprezentowania sygnału analogowego. Rozdzielczość przetwornika można porównać z podziałką na linijce. Im dokładniejsza podziałka (większa liczba znaków), tym bardziej precyzyjny pomiar. Podobnie, im wyższa rozdzielczość przetwornika, tym większa liczba przedziałów, na które zakres przetwornika może zostać podzielony i mniejsza zmiana, która może zostać wykryta. Trzybitowy przetwornik dzieli cały mierzony zakres na 2³ czyli 8 przedziałów. Kod binarny od 000 do 111 reprezentuje każdy z przedziałów. Przetwornik konwertuje wynik pomiaru sygnału analogowego do postaci cyfrowej - wybierana jest jedna z dopuszczalnych wartości. Oczywiście sygnał cyfrowy nigdy dokładnie nie odzwierciedla wejściowego sygnału analogowego, ponieważ przetwornik posiada zbyt mało przedziałów, aby dokładnie oddać zmieniający się sygnał analogowy. Zwiększając rozdzielczość z 3 do 16 bitów, zwiększamy liczbę przedziałów, na które dzielony jest zakres z 8 do 65536.

Zakres pracy przetwornika odpowiada minimalnej i maksymalnej wielkości poziomu sygnału analogowego, jaki może przekształcić do postaci cyfrowej. Wiele współczesnych przetworników posiada możliwość wyboru zakresu pracy i w związku z tym istnieje możliwość dopasowania trybu pracy do wielkości sygnału. Powoduje to, że przy zadanej rozdzielczości otrzymujemy większą dokładność przetworzenia. W przypadku zakresu od 0 10 V najmniejsza wykrywana przez trzybitowy przetwornik zmiana sygnału wejściowego to 1.25 V. Jeżeli zakres pracy zwiększymy 20 V (np. od -10 V do 10 V), to najmniejsza wykrywana zmiana wyniesie 2.5 V.

Zakres sygnału wejściowego to minimalna i maksymalna wartość sygnału analogowego, jaką chcemy mierzyć. Precyzyjne określenie tych wartości daje możliwość pełnego wykorzystania rozdzielczości przetwornika. W przypadku wyboru za dużego zakresu pracy tylko część przedziałów, na które konwertowany jest wynik, zostanie wykorzystana dla odwzorowania sygnału analogowego.

3

---