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.