Вопрос 4. Виртуальные измерительные приборы

Одним из наиболее перспективных направлений в развитии компьютер­но-измерительных систем является применение виртуальных приборов.

Виртуальный прибор состоит из современного быстродействующего персонального компьютера, наличие которого — необходимое условие вы­сококачественных и точных измерений, и одной-двух плат сбора данных (ПСД). Плата устанавливается в персональный компьютер (обычно в слот ISA или PSI) или внешнее дополнительное устройство, подключаемое через LPT или USB порт в комплексе с соответствующим программным обеспечением (рисунок 5).

Важную роль в создании виртуальных приборов играет разработка платы сбора данных с необходимыми метрологическими характеристика­ми для данной измерительной задачи, такими, как разрядность АЦП, быстродействие и динамические погрешности аналого-цифрового канала. При этом необходимо использование быстрых и эффективных алгоритмов обработки измеряемой информации, разработка удобной программы сбора и отображения данных под наиболее распространенные компьютерные операционные системы Windows и других видов.

Рисунок 5 – Внешний вид виртуального измерительного прибора

Пользователь виртуального прибора включает объект графической па­нели с помощью клавиатуры, «мыши» или специализированной прикладной программы. Виртуальные измерительные приборы сочетают большие вычислительные и графические возможности персонального компьютера с высокой точностью и быстродействием аналого-цифровых преобразовате­лей и цифроаналоговых преобразователей, применяемых в ПСД. По суще­ству виртуальные приборы (как и практически все типы КИС) выполняют анализ амплитудных, частотных, временных характеристик различных ра­диоэлектронных цепей и измеряют параметры сигналов с точностью приме­ненных АЦП и ЦАП, а также формируют сигналы, как для процесса измере­ний, так и для автоматизации измерительных систем.

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

В качестве примера рассмотрим виртуальный цифровой запоминаю­щий осциллограф ЦЗО-01, реализованный на специализированной плате сбора данных и персональном компьютере в московском ЗАО «Руднев-Шиляев»; Центр АЦП. Внешний вид программного интерфейса (вирту­альной графической измерительной панели) цифрового виртуального осциллографа представлен на рис. 6.

Рисунок 6 - Внешний вид программного интерфейса (вирту­альной графической измерительной панели) цифрового виртуального осциллографа

Виртуальный цифровой запоминающий осциллограф типа ЦЗО-01 предназначен для наблюдения, регистрации, долговременного хранения, анализа и измерения амплитудных и временных параметров различных видов одиночных (импульсных), периодических и случайных процессов.

Программный пакет «осциллограф», заложенный в память персонально­го компьютера или внешнюю память, осуществляет обмен данными с пла­той сбора данных по готовности прибора к обработке. После выдачи плате специальной команды на сбор данных программа ожидает от нее сообщения об окончании процедуры заполнения буферной памяти, встроенной в ПСД. Затем анализируемые сигналы поступают в осциллограф (компьютер), их обработка и исследование полностью передается процессору.

Работа с программными файлами позволяет с помощью компьютера документировать исследуемые (измеряемые) процессы, сравнивать сиг­налы с эталонными и отображать сигналы, созданные пользователем в его программах.

Упрощенно принцип действия платы сбора данных описывается сле­дующим образом. Процесс сбора данных можно условно разделить на два этапа: запись оцифрованных сигналов во внутреннюю буферную память ПСД (соответствует обратному ходу луча реального осциллографа) и передача данных в виртуальный осциллограф, их обработка и вывод на экран (соответствует прямому ходу луча реального осцилло­графа). Не трудно понять, что режим «прямого хода луча» (интервал обновления изображения на экране) будет зависеть от объема памяти записывающего буфера ПСД, быстродействия процессора и ОЗУ ком­пьютера и числа каналов осциллографа.

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

Основные преимущества виртуальных цифровых запоминающих осциллографов:

- яркий, хорошо сфокусированный экран на любой скорости развертки;

- резко очерченные контуры изображения;

- высокая точность измерений параметров сигналов или цепей;

- широкая полоса пропускания;

- возможность запоминания эпюры сигнала на произвольное время;

- автоматическое измерение параметров сигналов;

- возможность статистической обработки результатов измерения;

- возможность подключения принтера и плоттера для создания отчета о результатах измерений;

- возможность сравнения текущих данных с образцовыми или пред­варительно записанными;

- наличие средств самокалибровки и самодиагностики;.

- возможность исследования переходных процессов, протекающих в электрических цепях;

- упрощенная архивация результатов измерений.

В данном осциллографе возможна его синхронизация по комбинации сигналов от нескольких генераторов.

Таким образом, широкие вычислительные возможности виртуальных приборов позволяют реализовать программными методами многие спо­собы повышения точности измерений, эффективности и быстродействия. Например, если полученная при измерениях гистограмма распределения физической величины, наблюдаемая экспериментатором на дисплее компьютера, имеет выпавшие результаты и сглаженную форму, то мож­но предположить существование выбросов и наличие дрейфа измеряе­мой величины или погрешности. Для устранения выбросов можно ис­пользовать одну из статических программ. Очень часто вычислительные методы позволяют сократить время измерений, если вид математической модели исследуемого процесса задан.

Виртуальные приборы имеют большое преимущество перед микро­процессорными измерительными приборами, поскольку пользователь получает доступ к обширным объемам прикладных программ, может использовать внешнюю память большой емкости и различные устройст­ва документирования результатов измерений. Сочетание платы сбора данных, измерительного устройства и персонального компьютера пред­ставляет человеку новые возможности, недостижимые автономными из­мерительными приборами. Теперь для проведения эксперимента и изме­рений необходимо только наличие компьютера, а все остальные про­граммно-аппаратные средства подбираются исходя из технических тре­бований самого проводимого эксперимента.

К преимуществам виртуальных приборов следует отнести также их экономическую эффективность — практически любая плата сбора дан­ных и компьютерные программы обработки измерительной информа­ции намного дешевле измерительного прибора.

Совершенно очевидно, что многие метрологические, измерительные и исследовательские задачи в XXI в. будут решаться с помощью виртуальных приборов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение автоматизации измерений и охарактеризуйте её цели.

2. Охарактеризуйте основные задачи автоматизации измерений.

3. Охарактеризуйте полную и частичную автоматизацию измерений. Достоинства автоматизации измерений.

4. Приведите типовую схему автоматизированных измерений и поясните порядок их осуществления.

5. Дайте характеристику автоматизированных средств измерений: автономных непрограммируемых приборов и гибких измерительных систем.

6. Дайте определение процесса контроля объекта измерений, сущности контроля, системы автоматического контроля.

7. Приведите обобщенную структурную схему системы автоматического контроля и поясните назначение её основных подсистем.

8. Охарактеризуйте компьютерно-измерительные системы (КИС), и виртуальные измерительные приборы. Отличительные особенности и преимущества компьютерно-измерительных систем по сравнению с микропроцессорными приборами.

9. Приведите обобщенную структурную схему компьютерно-измерительной системы и поясните принцип её работы.

10. Приведите понятие, состав и основные достоинства виртуальных измерительных приборов. Назначение плат сбора данных виртуальных измерительных приборов.