Автоматизация измерений. Информационно-измерительные приборы и системы

Контрольная работа

Содержание

1 Общие сведения

2. Измерительные системы

3 Виртуальные информационно-измерительные системы

4 Интеллектуальные измерительные системы

Литература

1. Общие сведения

Усложнение современных объектов исследований, рост числа и диапазонов измеряемых параметров, повышение требований к точности измерений и их быстродействию (при ограниченных возможностях оператора в восприятии и обработке больших объемов информации) приводят к необходимости автоматизации электрорадиоизмерений и, следовательно, к снижению загруженности и роли оператора в процессе измерений.

Разработка новых телекоммуникационных систем с использованием современных технологий, усложнение их производства, широкое развитие научных исследований, а также повышение требований к точности измерений и их быстродействию привели к необходимости одновременно измерять и контролировать множество различных физических величин.

Сейчас средства измерений достигли достаточно высокого уровня развития и в большинстве имеют наивысшие точности.

Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработке больших объемов измерительной информации стала одной из основных причин появления таких средств измерений, как информационно-измерительные приборы (виртуальные приборы) и измерительные системы (ИС).

Структура современных ИС чрезвычайно разнообразна, быстро развивается и существенно зависит от решаемых задач, а их деление в настоящее время еще не имеет достаточно полного и четкого толкования.

Переход к построению цифровых средств измерений привел к созданию автоматизированных измерительных систем с использованием микропроцессоров. Автоматизированными средствами измерений считают автономные непрограммируемые приборы и гибкие измерительные системы, построенные на базе цифровой техники.

Автономные непрограммируемые приборы работают по жесткой программе и предназначены для измерений определенных параметров сигналов и характеристик цепей. В этих приборах автоматически выполняется только часть измерительных операций, например, определение полярностей входного сигнала и установка пределов измерений.

Гибкие интегральные системы позволяют программным способом перестраивать систему для измерения различных физических величин и менять режим измерений. При этом аппаратная часть измерительной системы не изменяется. По структурному построению они подразделяются на интерфейсные, микропроцессорные и компьютерно-измерительные.

Наиболее мощные – измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) – создаются путем объединения с помощью соединительной многопроводной магистрали в одну измерительную систему компьютера, измерительных приборов и устройств отображения информации. Связь между компьютером и всеми остальными узлами и их совместимость обеспечивается с помощью совокупности аппаратных, программных и конструктивных средств.

Устройство сопряжения компьютера со средствами измерений или любыми другими внешними системами называют интерфейсом. При этом для решения новой метрологической задачи достаточно смерить часть модулей, используемых в качестве источника или приемника информации, и программное обеспечение.

В микропроцессорных измерительных системах все узлы подключаются непосредственно к магистрали микропроцессора. Встроенные микропроцессоры осуществляют сервисные операции, обеспечивают различные режимы измерений и определяют ряд параметров сигнала или цепи. Работа таких приборов выполняется в соответствие с программами, заложенными в запоминающем устройстве.

Функциональные возможности традиционных измерительных приборов задаются при производстве и перестроить их или изменить число каналов измерения и анализа достаточно проблематично. И поскольку производитель не в состоянии охватить все многообразие реальных исследовательских задач, это в значительной степени затрудняет подбор оптимального комплекта оборудования с требуемыми параметрами и его настройку. Измерительные системы и виртуальные приборы снимают данное ограничение.

Информационные технологии вывели измерительную технику на новый уровень, позволяющий быстрее и с меньшими затратами разрабатывать информационно-измерительные приборы и системы различной сложности: от измерения параметров до ввода и обработки видеоизображений с передачей результатов через внешнюю сеть на любые расстояния.

Появление измерительных информационных комплексов и систем, а также приборов с применением специализированных микропроцессорных, компьютерных и виртуальных технологий вызвано следующими аспектами:

• широким распространением специализированных многофункциональных микропроцессоров и персональных компьютеров, имеющих высокое быстродействие, большие объемы памяти, стандартные интерфейсы (см. далее), практически неограниченные графические возможности, позволяющие создать функционирующие в реальном масштабе времени виртуальные измерительные устройства, с высокой степенью подобия воспроизводящие поведение тех или иных физических приборов и систем;

созданием автоматизированных информационно-измерительных систем различного назначения, таких как автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний, физические и космические объекты и пр.;

возможностью реализации в весьма компактной форме измерительных приборов и модулей;

появлением измерительного программирования, под которым понимается программирование для информационно-измерительной техники и систем, позволяющее ей проводить измерение, контроль, диагностирование или распознавание образов, включая функции сбора, передачи, обработки, представления измерительной информации и управления измерительным экспериментом.

2. Измерительные системы

Назначение любой измерительной системы, ее необходимые функциональные возможности, технические параметры и характеристики в решающей степени определяются объектом исследования, для которого она создана. Из-за разнообразия структур современных ИС, динамичного развития и перечня решаемых задач, классификация их в настоящее время еще полностью не завершена.

В зависимости от выполняемых функций измерительные системы можно условно разделить на три основных вида:

измерительные системы измерения и хранения информации (условно называемые измерительными системами прямого назначения);
контрольно - измерительные (автоматического контроля);
телеизмерительные системы.

К измерительным системам относят также системы распознавания образов и системы технической диагностики, которые в курсе, относящемся к радиоизмерениям, не изучаются.

По числу измерительных каналов измерительные системы подразделяются на одно-, двух-, трех- и многоканальные (многомерные). Для совместных и совокупных измерений часто используют многоканальные, аппроксимирующие системы.

Наиболее бурно в настоящее время разрабатываются и внедряются ИС прямого назначения, основной особенностью которых является возможность программным способом перестраивать их для измерений различных физических величин и менять режим измерений. Изменений в аппаратной части при этом не требуется.

Измерительные системы прямого назначения условно делят на:

- информационно-измерительные системы (часто их называют термином измерительные информационные системы; аббревиатура одинакова — ИИС);

- измерительно-вычислительные комплексы (ИВК);

- виртуальные информационно-измерительные приборы (устоявшееся у специалистов название — виртуальные приборы; или компьютерно-измерительные системы — КИС).

Информационно-измерительные системы

Самым широким классом измерительных систем прямого назначения являются ИИС. Назначение ИИС определяют как целенаправленное оптимальное ведение измерительного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией. Основные функции ИИС,— получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или/и компьютеру, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий.

Информационно-измерительная система должна управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования; выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью; обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, помехоустойчивости, быстродействия, надежности, пропускной способности, адаптивности, сложности; отвечать экономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств; быть приспособленной к функционированию с измерительными информационными системами смежных уровней иерархии и другими ИИС.

Основной функцией ИИС, как и любой другой технической системы является целенаправленное преобразование входной информации в выходную. Это преобразование выполняется либо автоматически с помощью аппаратуры технического обеспечения, либо совместно — оперативным персоналом и аппаратурой технического обеспечения в сложных ИИС, ИВК и виртуальных приборах.

Применение современных средств цифровой схемотехники коренным образом изменило принципы построения ИИС. Кроме того, методы обоснованного распределения и направления информационных потоков дают возможность уменьшить их избыточность. Это позволяет ставить задачу о возможно максимальном переносе обработки измерительной информации к месту ее формирования, т. е. перейти к конвейерной обработке измерительной информации в распределенной ИИС. В целом такая система состоит из следующих основных частей: системы первичных преобразователей (датчиков), устройств сбора и первичной обработки информации, средств вторичной обработки информации, устройств управления и контроля, устройств связи с другими системами объекта, накопителей информации.

По организации алгоритма функционирования различают следующие виды ИИС:

- заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования которых не меняются, поэтому их можно использовать только для исследования объектов, работающих в постоянном режиме;

- программируемые, в которых изменяют алгоритм работы по программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;

- адаптивные, алгоритм работы которых, а часто и структура изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условной работы объекта;

- интеллектуальные, обладающие способностью к перенастройке в соответствии с изменяющимися условиями функционирования и иные выполнять все функции измерения и контроля в реальном и масштабе времени.

Математическое, программное и информационное обеспечение входит в состав лишь ИИС с вычислительными комплексами.

Математическое обеспечение — аналитические (математические) модели объекта исследования (измерения) и вычислительные алгоритмы.

В математическую модель объекта измерения входит описание взаимодействия между переменными входа и выхода для установившегося и переходного состояний, т.е. модель статики и динамики, а также граничные условия и допустимые изменения переменных процесса. Форма записи математической модели может быть различна: алгебраические и трансцендентные уравнения, дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных. Могут использоваться переходные и передаточные функции, частотные и спектральные характеристики и пр. различают 3 основных метода получения математических моделей исследования ИИС: аналитические, экспериментальные и экспериментально-аналитические.

В последние годы при создании большинства ИС наиболее часто используют математическое моделирование, реализующее цепочку: объект – модель – вычислительный алгоритм – программа для компьютера – расчет на компьютере – анализ расчетов – управление исследованием.

Алгоритм измерения может быть представлен программно, словесно, аналитически, графически или сочетанием этих методов. Последовательность действий при этом непроизвольна, а реализует тот или иной метод решения задачи. Во всех случаях поставленная задача должна быть на столько точно сформулирована, чтобы не осталось места различным двусмысленностям.

Программное обеспечение ИИС включает в себя системное и общее прикладное программное обеспечение, в совокупности образующее математическое обеспечение, которое реализуется программной подсистемой. Системное программное обеспечение – совокупность программного обеспечения компьютера, используемого в ИИС, и дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме, управлять измерительными комплексами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; автоматически проводить диагностику технического состояния.

По существу, программное обеспечение ИИС представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

типовые алгоритмы эффективного представления и обработка измерительной информации, планирование эксперимента и других измерительных процедур;
архивирование данных измерений;
метрологические функции комплекса (аттестацию, поверку, экспериментальное определение нормируемых метрологических характеристик и т. п.).

Информационное обеспечение определяет способы и конкретные нормы информационного отображения состояния объекта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сигналов для их предоставления обслуживающему персоналу и компьютеру для дальнейшего использования в управлении.

Всю измерительную систему в целом охватывает метрологическое обеспечение (рис. 1).

Рисунок 1

В структуру технической подсистемы ИИС входят:

блок первичных измерительных преобразователей;

средства вычислений электрических величин (измерительные компоненты);

• совокупность цифровых устройств и компьютерной техники(вычислительных компонентов);

меры текущего времени и интервалов времени;

блок вторичных измерительных преобразователей;

• устройства ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками;

совокупность элементов сравнения, мер и элементов описания;

блок преобразователей сигнала, цифровых табло, дисплеев, элементов памяти и пр.;

различные накопители информации.

Кроме указанных элементов в подсистемы ИИС может входить ряд устройств согласования со штатными системами исследуемого объекта, телеметрией и пр.

Важное значение для эксплуатации ИИС имеет эргономическое, эффективное и наглядное построение форм дисплея и управляющих элементов, называемых интерфейсом пользователя, обеспечивающих взаимодействие оператора с персональным (или специализированным) компьютером. В общем же случае интерфейсом называют устройство сопряжения персонального компьютера со средствами измерений или любыми другими внешними техническими системами (иногда в это понятие включают и программное обеспечение измерительной системы). Эффективность работы рассматриваемого интерфейса заключается в быстром, насколько это возможно, развитии у пользователя простой концептуальной модели взаимодействия с ИИС. Другими важными характеристиками интерфейса пользователя являются его наглядность, дизайн и конкретность, что обеспечивают с помощью последовательно раскрываемых окон, раскрывающихся вложенных меню и командных строк с указанием функциональных «горячих» клавиш.

В достаточно короткой истории развития ИИС можно отметить ряд поколений.

Первое поколение характеризуется формированием концепции ИИС и системной организацией совместной работы средств получения, обработки и передачи количественной информации. Это были в основном системы централизованного циклического получения измерительной информации с элементами вычислительной техники. Данный период (конец 50-х — начало 60-х годов прошлого столетия) называют периодом детерминизма, поскольку для исследований в ИИС использовался аппарат аналитической математики.

Второе поколение развития и внедрения ИИС связано с использованием адресного сбора информации и ее обработки с помощью встроенных компьютеров. Элементную базу таких систем представляют микроэлектронные схемы малой и средней степени интеграции. Этот период (70-е годы прошлого столетия) характерен решением целого ряда вопросов теории систем в рамках теории случайных процессов и математической статистики, поэтому его принято называть периодом стохастичности.

Третье поколение характерно широким введением в информационно-измерительные системы БИС, микропроцессоров, микро ЭВМ и промышленных функциональных блоков, совместимых между собой по информационным, метрологическим, конструктивным, энергетическим и эксплуатационным характеристикам, а также созданием распределенных и адаптивных ИИС.

Четвертое поколение отличает появление гибких перестраиваемых программируемых ИИС, что связано с развитием вычислительной техники. Гибкие ИИС отличаются прежде всего свободой пользователя в определении функционального назначения системы. Создает и программирует гибкую систему не производитель ее компонентов, а пользователь, в соответствии со своими задачами. В элементной базе гибких ИИС резко возрастает доля микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

Пятое поколение бурно развивается в настоящее время, что обусловлено появлением адаптивных, интеллектуальных и виртуальных ИИС, построенных на базе персональных компьютеров и современного математического и программного обеспечения.

Измерительно-вычислительные комплексы

Одной из разновидностей ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы. Основными признаками принадлежности измерительной системы к ИВК служат наличие компьютера, нормированных метрологических характеристик, программного управления средствами измерений, блочно-модульной структуры построения, состоящей из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

По назначению ИВК делятся на типовые, проблемные и специализированные.

Типовые ИВК предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или исследований независимо от области применения.

Проблемные ИВК разрабатывают для решения специфичной задачи в конкретной области автоматизации измерений.

Специализированные ИВК используют для решения уникальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и специализированных комплексов экономически нецелесообразна.

Измерительно-вычислительные комплексы предназначены для следующих задач:

осуществления прямых, косвенных, совместных или совокупных методов измерений физических величин;

представления оператору результатов измерений в нужном виде и управления процессом измерений и воздействия на объект измерений.

Чтобы реализовать эти функции, ИВК должен:

эффективно воспринимать, преобразовывать и обрабатывать электрические сигналы от первичных измерительных преобразователей, а также управлять средствами измерений и другими техническими устройствами, входящими в его состав;

вырабатывать нормированные электрические сигналы, являющиеся входными для средств воздействия на объект, оценивать метрологические характеристики и представлять результаты измерений в установленной форме.

3. Виртуальные информационно-измерительные системы

Современные решения в области промышленной автоматизации предполагают отказ от узкоспециализированных решений в пользу широкого использования персональных компьютеров, оснащенных платами АЦП/ЦАП, цифрового ввода-вывода информации, приборных, а также различных последовательных и параллельных устройств сопряжения — интерфейсов. Такие персональные компьютеры, работающие в режиме реального масштаба времени (в режиме on-line), могут выполнять все функции специализированного оборудования, сохраняя при этом достоинства компьютера общего назначения, прежде всего — гибкость и перенастраиваемость интерфейса.

Понятие «виртуальные приборы» (Virtual Instruments) появилось на стыке измерительной, информационной и компьютерной техники. Виртуальный прибор представляет собой комбинацию компьютера, универсальных аппаратных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения, которое, собственно, и определяет конфигурацию и функционирование законченной системы. По сути, в руках создателя системы имеется конструктор (набор), из которого даже не искушенный в компьютерных технологиях инженер или исследователь может построить измерительный прибор любой сложности. Теперь скорее требования задачи и соответствующее этому программное обеспечение, а не возможности прибора определяют функциональные характеристики законченного прибора.

В простейшем случае виртуальный прибор — это персональный компьютер в комплексе с соответствующим программным обеспечением и специальная плата сбора данных, устанавливаемая в него (в слот ISA или PCI) или внешнее устройство, подключаемое через LPT-порт, а также через современные внешние интерфейсы. Такими интерфейсами могут быть USB, RS-232, FieldBus, FireWire, IrDA, GPIB и т. д.

Персональный компьютер имитирует органы управления реального прибора и выполняет его функции, что позволяет инженеру, который умеет работать с этим прибором, продолжить работу с его виртуальным аналогом. Виртуальный прибор может содержать только те индикаторы и органы управления, которые необходимы для решения поставленной задачи. При этом обучение специалистов можно проводить на виртуальных аналогах реального оборудования, сохраняя его ресурс и не подвергая риску выхода его из строя из-за ошибок оператора.

К отличительным особенностям виртуальных приборов по сравнению с микропроцессорными приборами относятся:

обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, доступных для оператора, позволяющий решать широкий круг прикладных задач измерений (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т. д.);

возможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям (например, сети Интернет);

высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;

• возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости, а также составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;

• возможность оперативного использования различных устройств документирования результатов измерений.

Архитектура построения виртуальных приборов

Виртуальный прибор можно строить двумя способами: с последовательной или параллельной архитектурой.

В виртуальном приборе с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому всю соответствующую электронику размещают на слотах компьютера.

Виртуальный прибор с параллельной архитектурой содержит ряд параллельных каналов измерения, каждый из которых имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т. е. объединения сигналов). Подобный принцип построения виртуального прибора позволяет проводить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника исследуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме.

Обобщенная структурная схема виртуального прибора, отражающая обе архитектуры построения, показана на рис. 2.

Рисунок 2

Взаимодействие между отдельными элементами виртуального прибора осуществляют с помощью внутренней шины компьютера, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, принтер, плоттер), так и измерительная схема, состоящая из коммутатора, АЦП и блока образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты. С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы; интерфейсный модуль ИМ подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Коммутатор устройства обеспечивает подачу аналоговых напряжений с внешних датчиков на узлы системы. Достаточно простые узлы виртуального прибора можно разместить на одной плате персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры виртуальных приборов, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе меняют архитектуру построения системы.

Одним из элементов виртуального прибора является блок образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты. В виртуальных приборах предусмотрена возможность определения индивидуальных функций влияния температуры на разные параметры прибора: дрейф нуля УПТ, коэффициенты передачи различных элементов. Непрерывный контроль температуры блоков позволяет автоматически корректировать возникающие погрешности измерения.

Основную роль в виртуальных приборах играют платы сбора данных с необходимыми метрологическими характеристиками для данной задачи, такими, как разрядность АЦП, быстродействие и динамические погрешности аналого-цифрового канала. При этом необходимо использовать быстрые и эффективные алгоритмы обработки измеряемой информации, разработать удобную программу сбора и отображения данных под наиболее распространенные операционные системы Windows 2000, NT, XP и т. д.

Одна из самых известных среди специалистов разработок виртуальных приборов — системы LabVIEW, BridgeVIEW и LookOut компании National Instruments (США). Кроме того, существует большое количество библиотек виртуальных приборов от независимых сторонних производителей. Программы в LabVIEW и именуются виртуальными приборами, так как способ общения с ними напоминает реальные приборы. Виртуальные приборы играют ту же роль, что и функции в обычных языках программирования.

Замена текстового представления графическим делает представление измерительных данных и процедур более наглядным, не создает языкового барьера, рисунок выражает смысл информации в более компактных единицах; например, это относится к графическому программному обеспечению Lab VIEW. Пакет LabVIEW — графическая альтернатива обычному программированию — предназначен для создания ИС и представляет собой программные средства, которые требуются при работе в области мониторинга, испытаний и измерений. С помощью LabVIEW можно создавать графические программы — виртуальные приборы, вместо написания традиционных программ.

Пользователь виртуального прибора включает объект графической панели с помощью клавиатуры, «мыши» или специализированной прикладной программы. Виртуальные приборы сочетают большие вычислительные и графические возможности компьютера с высокой точностью и быстродействием АЦП и ЦАП, применяемых в платах сбора данных. По существу виртуальные приборы выполняют анализ амплитудных, частотных, временных характеристик различных радиотехнических цепей и измеряют параметры сигналов с точностью примененных АЦП и ЦАП, а также формируют сигналы и для процесса собственно измерений, и для автоматизации ИС.

Программная часть виртуального прибора может эмулировать (создать) на экране дисплея компьютера виртуальную переднюю управляющую панель стационарного измерительного прибора. Сама управляющая 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, виртуальная панель может быть многократно перестроена в процессе работы для адаптации к конкретным условиям эксперимента. В зависимости от платы и программного обеспечения пользователь получает измерительный прибор под ту или иную метрологическую задачу.

Несколько лет назад на пути развития технологии программирования и создания виртуальных приборов появилось новое многообещающее направление. Оно называется IVI (Interchangeable Virtual Instruments — взаимозаменяемые виртуальные инструменты). Основная идея такова. Все приборы одного класса имеют большую, общую для всех приборов группу функций, например, все цифровые мультиметры (DMM) измеряют постоянное и переменное напряжение, сопротивление, а также выполняют другие функции. Если эти функции выделить в IVI Class Driver для класса DMM Class, то часть программы, отвечающая за управление цифровыми мультиметрами, не будет зависеть от конкретного прибора и его драйвера. Следует отметить высокое качество и надежность приборных драйверов VXI «Plug&Play», что не связано с концепцией классов драйверов IVI Class Driver, а реализуется другими средствами.

И конечно, современные программные системы немыслимы без удаленного доступа. Трудно себе представить ответственную систему, не имеющую выхода в Интернет.

Рассмотрим один из современных виртуальных цифровых запоминающих осциллографов. Внешний вид программного интерфейса пользователя (виртуальной графической измерительной панели) цифрового виртуального осциллографа представлен на рис. 3.

Рисунок 3

Виртуальный цифровой запоминающий осциллограф предназначен для наблюдения, регистрации, долговременного хранения, анализа и измерения амплитудных и временных параметров различных импульсных, периодических и случайных процессов. Программный кет «осциллограф», заложенный в память компьютера, обменивается данными с платой сбора данных по готовности прибора к обработке информации. После выдачи плате специальной команды на сбор данных по параметрам исследуемых сигналов, программа ожидает от нее сообщения об окончании процедуры заполнения буферной памяти, встроенной в плату сбора данных. Затем анализируемые сигналы поступают в компьютер, где их обработку и исследование полностью выполняет процессор. Программные файлы позволяют с помощью компьютера документировать исследуемые процессы, сравнивать сигналы с эталонными и отображать сигналы, созданные пользователем в его программах.

Принцип действия платы сбора данных упрощенно описывается следующим образом. Процесс сбора данных можно условно разделить на два этапа: запись оцифрованных сигналов в буферную память платы сбора данных (соответствует обратному ходу луча реального осциллографа) и передача данных в виртуальный осциллограф, их обработка и вывод на экран (соответствует прямому ходу луча реального осциллографа). Режим «прямого хода луча» (интервал обновления изображения на экране) зависит от объема памяти записывающего буфера платы сбора данных, быстродействия процессора и ОЗУ компьютера, числа каналов осциллографа.

Несмотря на то, что исследуемые сигналы — аналоговые, 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 осуществляют с помощью «мыши» (или клавиатуры), а не рукой, как у реальных измерительных приборов.

Достоинства рассмотренного виртуального цифрового запоминающего осциллографа:

высокая точность измерений параметров сигналов или цепей;

яркий, четко сфокусированный экран на любой скорости развертки и резко очерченные контуры изображения;

широкая полоса пропускания;

возможность запоминания эпюры сигнала на произвольное время;

автоматическое измерение параметров сигналов;

возможность статистической обработки результатов измерения;

наличие средств самокалибровки и возможность сравнения текущих данных с образцовыми или предварительно записанными;

наличие принтера и плоттера для создания отчета о результатах
измерений, а также упрощенная архивация результатов измерений;

возможность исследования переходных процессов, протекающих
в электрических цепях.

На рис. 4 показан внешний вид программного интерфейса виртуального цифрового анализатора спектра, а на рис. 5 — виртуального цифрового генератора сигналов.

Рисунок 4. Внешний вид программного интерфейса виртуального

цифрового анализатора спектра

Виртуальный анализатор спектра может исследовать от 2 до 1024 гармонических составляющих и позволяет вычислить амплитуды и фазы гармоник, а также коэффициенты Фурье спектрального представления исследуемого сигнала.

Виртуальный генератор сигналов ЦГС-31 способен создавать широкую сетку частот и имеет много режимов работы, позволяющих регулировать различные параметры выходных сигналов.

Рисунок 5. Внешний вид программного интерфейса виртуального

цифрового генератора сигналов

Итак, широкие вычислительные возможности виртуальных приборов позволяют реализовать программными методами многие методы повышения точности измерений, эффективности и быстродействия. Например, если полученная при измерениях гистограмма распределения физической величины, наблюдаемая экспериментатором на дисплее компьютера, имеет выпавшие значения и сглаженную форму, то следует предположить существование выбросов и наличие дрейфа измеряемой величины или погрешности. Для устранения выбросов можно использовать одну из статистических программ.

В настоящее время развивается направление по разработке виртуальных измерительных систем, широко использующих возможности современных компьютеров, компьютерной графики, перспективных методов и средств измерений, цифровой обработки информации и эффективных «Plug&Play» мультимедиа-технологий при создании программного и технологического обеспечения. На основе таких систем проводятся: экспериментальные научные измерения и исследования реализуемые в виде универсальных (функционально ориентированных) приборов в виртуальном исполнении (осциллографы, анализаторы, генераторы, синтезаторы сигналов, мультиметры, вольтметры, частотомеры, мультиплексоры и др.) и специальных (проблемно-ориентированных) систем, применяемых в спектроскопии, акусто- и сверхпроводниковой электронике, в поляризованных исследованиях оптических светодиодов, изучении распространения электромагнитного излучения в газах и атмосфере, дистанционном зондировании Земли и планет и т. д.;

разработка семейства новых универсальных компьютерных приборов, синтезированных программным путем, среди которых можно выделить приборы с блоком оценки и представления точности характеристик прибора и измерений;

создание виртуальных систем учебного назначения: практикумы и тренажеры, электронные каталоги и инструкции к серийно выпускаемым приборам, построенные на адекватных моделях устройств.

4. Интеллектуальные измерительные системы

Интеллектуальные измерительные системы — системы, которые можно индивидуально программировать на выполнение специфических задач, используя программируемый терминал (программатор) для ввода параметров конфигурирования. Подобные системы снабжены средствами представления анализируемой информации: дисплеем для визуализации мнемонических символов команд, цифровыми индикаторами, представляющими оператору необходимую информацию, и клавишами переключения видов работы. Блок бесперебойного питания обеспечивает сохранность программ при отключении питания на длительное время.

Интеллектуальные измерительные системы способны выполнять все функции измерения и контроля в реальном масштабе времени. Это позволяет осуществлять функции измерения и контроля «высокого уровня» без использования больших компьютеров. При автономном функционировании такая ИС обеспечивает непрерывные измерения и контроль заданных параметров, сбор данных и обработку сигналов.

Интеллектуальные измерительные системы имеют существенные преимущества перед традиционными, а именно:

высокое быстродействие контуров управления процессами измерения, а также высокую скорость сбора данных;

универсальность — стандартные интерфейсы обеспечивают простое подключение к любым системам и оборудованию;

высокую надежность на каждом системном уровне — применение универсальных методов обеспечивает безотказную работу;

взаимозаменяемость; поскольку интеллектуальные системы — стандартные устройства, индивидуально программируемые в расчет на их специфические функции, то каждое из них может быть заменено другим устройством того же функционального назначения; каждую систему можно рассматривать как резервную для любого типа систем того же класса, что уменьшает число дополнительных резервных средств измерения, контроля, управления и регулировки и сводит к минимуму аварийный период в маловероятном случае выхода из строя какого-либо элемента.

Принципы построения и структуры интеллектуальных ИС интегрируют в себе все лучшие стороны традиционных измерительных систем, но более насыщены микропроцессорной и компьютерной техникой. Интеллектуальные измерительные системы позволяют создать алгоритмы измерений, которые учитывают рабочую, вспомогательную и промежуточную информацию о свойствах объекта измерений и условиях измерений. Обладая способностью к перенастройке и перепрограммированию в соответствии с изменяющимися условиями функционирования, интеллектуальные алгоритмы позволяют повысить быстродействие и метрологический уровень измерений.

Литература

Иньков, Ю.М. Электротехника и электроника: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Б.И. Петленко, Ю.М. Иньков, А.В. Крашенинников. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 368 c.

Калашников, В.И. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для студ. учреждений высш. проф. обр. / В.И. Калашников, С.В. Нефедов. - М.: ИЦ Академия, 2012. - 368 c.

Кашкаров, А.П. Новейшие технологии в электронике: дома, на даче, в автомобиле / А.П. Кашкаров. - Рн/Д: Феникс, 2013. - 172 c.

Колистратов, М.В. Электротехника и электроника: электротехника на оборудовании National Instruments: Лабораторный практикум / М.В. Колистратов, Л.А. Шапошникова; Под ред. Л.А. Шамаро. - М.: ИД МИСиС, 2012. - 79 c.

Кузовкин, В.А. Электротехника и электроника: Учебник для бакалавров / В.А. Кузовкин, В.В. Филатов. - М.: Юрайт, 2013. - 431 c.

Кучумов, А.И. Электроника и схемотехника: Учебное пособие / А.И. Кучумов. - М.: Гелиос АРВ, 2011. - 336 c.

Лапынин, Ю.Г. Контрольные материалы по электротехнике и электронике: Учебное пособие для учреждений среднего профессионального образования / Ю.Г. Лапынин. - М.: ИЦ Академия, 2011. - 128 c.

Лачин, В.И. Электроника: Учебное пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. - Рн/Д: Феникс, 2010. - 703 c.

Манаев, Е.И. Основы радиоэлектроники / Е.И. Манаев. - М.: ЛИБРОКОМ, 2013. - 512 c.

Марченко, А.Л. Основы электроники: Учебное пособие для вузов / А.Л. Марченко. - М.: ДМК Пресс, 2013. - 296 c.

Миловзоров, О.В. Электроника: Учебник для бакалавров / О.В. Миловзоров, И.Г. Панков. - М.: Юрайт, 2013. - 407 c.

Мишкович, В.И. Электротехника и электроника: Учебное пособие для вузов / В.В. Кононенко, В.И. Мишкович, В.В. Муханов [и др.]; Под ред. В.В. Кононенко. - Рн/Д: Феникс, 2010. - 784 c.

Морозова, Н.Ю. Электротехника и электроника: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Н.Ю. Морозова. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 288 c.

Москатов, Е.А. Силовая электроника. Теория и конструирование / Е.А. Москатов. - М.: Корона-Век, МК-Пресс, 2013. - 256 c.

Неволин, В.К. Квантовый транспорт в устройствах электроники / В.К. Неволин. - М.: Техносфера, 2012. - 88 c.

Немцов, М.В. Электротехника и электроника: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования / М.В. Немцов, М.Л. Немцова. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 480 c.

Нефедов, А.В. Диоды, транзисторы и модули для силовой электроники / А.В. Нефедов. - М.: Радио и связь, 2012. - 312 c.

Новожилов, О.П. Электротехника и электроника: Учебник для бакалавров / О.П. Новожилов. - М.: Юрайт, 2013. - 653 c.

Автоматизация измерений. Информационно-измерительные приборы и системы