Тема реферата:
«Виртуальные приборы»
Содержание
Введение
Компьютеры в наше время становятся не только вычислительными средствами, они превращаются в универсальные виртуальные измерительные приборы. Устройства на основе персонального компьютера (ПК) - заменят стандартные измерительные приборы: вольтметры, самописцы, осциллографы, магнитографы, спектроанализаторы и другие на систему виртуальных приборов. Такая система будет состоять из компьютера, наличие которого сегодня необходимое условие высококачественных и быстрых измерений, и одной-двух плат сбора данных (ПСД), причем программная часть виртуального прибора может эмулировать переднюю управляющую панель стационарного измерительного устройства. Сама панель, сформированная на экране дисплея, становится панелью управления виртуального прибора. В отличие от реальной панели управления стационарного прибора такая виртуальная панель может быть многократно реконфигурирована в процессе работы. Пользователь виртуального прибора активизирует объект графической панели с помощью «мыши», клавиатуры или прикладной программы.
Создание виртуальных приборов в настоящее время сопровождает процесс разработки современных информационно-измерительных систем в учебном процессе и на производстве.
Технология виртуальных приборов находится в постоянном развитии за счет развития компьютерной техники и контрольно-измерительного оборудования. Виртуальные приборы позволяют создавать гибкие и легко адаптируемые к новым условиям системы, которые соответствуют требованиям надежности, точности и производительности.
Понятие виртуальных приборов
Виртуальные приборы (англ. Virtual Instrumentation) -- концепция, в соответствии с которой организуются программно-управляемые системы сбора данных и управления техническими объектами и технологическими процессами, при которой система организуется в виде программной модели некоторого реально существующего или гипотетического прибора, причём программно реализуются не только средства управления (рукоятки, кнопки, лампочки и т. п.), но и логика работы прибора. Связь программы с техническими объектами осуществляется через интерфейсные узлы, представляющие собой драйверы внешних устройств -- АЦП, ЦАП, контроллеров промышленных интерфейсов и т. п.
Предшественницей концепции виртуальных приборов служила концепция слепых приборов, предусматривающая организацию системы в виде физического устройства («ящика», реализующего логику работы прибора, но не имеющего пользовательского интерфейса), и программно-реализуемых средств управления (представляющих собой HMI в чистом виде).
Концепция виртуальных приборов применяется в качестве базовой в таких продуктах, как:
· LabVIEW фирмы National Instruments (США), реализуется на программной архитектуре VISA;
· DASYLab фирмы DATALOG GmbH (Германия)
· DIAdem фирмы GfS mbH (Германия);
· ZETLab фирмы "ЭТМС" (Россия)
Использование компьютерных технологий в контрольно-измерительной аппаратуре позволило создавать «виртуальные» измерительные приборы, представляющие собой синтез одной или двух плат сбора данных, персонального компьютера и программного обеспечения.
Открытая архитектура компьютера дает возможность устанавливать платы первичного сбора данных непосредственно в слоты расширения компьютера. Это позволяет компактно разместить на плате расширения процессорной шины ПК такие устройства первичного сбора данных, как АЦП, ЦАП, платы цифрового и таймерного ввода-вывода. Платы расширения выполняются и в виде самостоятельного блока, подключаемого к параллельному LPT-порту компьютера.[1]
Многофункциональные и специализированные платы расширения (Plug in card), добавленные к компьютеру и оснащенные необходимым программным обеспечением (LabView, LabWindows PcLab 2000 b др.), дают возможность экспериментатору создавать свои виртуальные приборы. Эти приборы обладают всеми вычислительными возможностями компьютера, могут выполнять любые задачи по сбору и обработке данных, их представлению и хранению, выполняют масштабирование, статистический анализ, временной и спектральный анализ. Представление данных и результатов анализа также реализуется при помощи компьютера с использованием компьютерной графики, позволяющей создавать с помощью программных средств передние панели прибора. Это новый класс быстродействующих готовых к работе программируемых приборов.
На базе компьютера может быть реализован целый комплекс виртуальных приборов: цифровых осциллографов, мультиметров, генераторов сигналов произвольной формы, анализаторов спектров, логических анализаторов состояний для тестирования цифровых интегральных схем и др. Использование встроенной внутри компьютера звуковой карты позволит виртуальным приборам работать в частотном диапазоне до 20 кГц и динамическом -- до 1В.
Достоинства измерительных приборов на основе компьютера
? неограниченное фиксирование данных;
? неограниченные возможности отображения;
? расширенная функциональность;
? встроенные мультимедийные инструкции оператора по процедуре измерения (текст, изображение и др.);
? настраиваемый пользовательский интерфейс;
? доступ в Интернет для обмена данными;
? связь с корпоративными базами данных и информационными
? автоматическое создание отчетов;
? высококачественная печать;
? самокалибровка;
? самодиагностика.
Приборы на основе ПК занимают меньше места, дешевле, но по функциональным возможностям эквивалентны традиционным измерительным приборам.[2]
Разработанная (эмулированная пользователем) программная панель, похожая на панель измерительного прибора, системные программы (драйверы) расширяют и облегчают практическое взаимодействие с прибором. При этом пользователь может компоновать множество передних панелей конкретного прибора, каждая из которых соответствует его определенной функции и может динамически заменяться другой с помощью простой программной инструкции или оператора. Можно использовать даже несколько виртуальных приборов, одновременно отображая их передние панели в нескольких окнах.
Принципы построения виртуальных приборов
Технологичность контрольно-измерительной техники в значительной степени повысилась в связи с появлением и развитием нового класса интеллектуальных устройств - виртуальных приборов. Аппаратной основой современных систем контроля, испытаний и мониторинга (СКИМ) становятся персональные компьютеры (ПК), дополненные встроенными и внешними средствами расширения.
Компьютерные технологии позволяют с наименьшими затратами обеспечить высокое качество, точность и достоверность результатов испытаний. Распространение компьютерных СКИМ определяется большой вычислительной мощностью ПК, наличием развитого периферийного оборудования, удобством интегрирования систем в локальные сети, относительно невысокой стоимостью основного оборудования, разнообразием программ обработки данных и документирования. Клавиатура и экран ПК, простота интегрирования с другими внешними устройствами и системами предоставляют значительно более широкие возможности пользователю по сравнению с теми, которые могут дать автономные приборы.
При создании СКИМ разработчики стремятся достичь универсальности, гибкости, доступности, реализуемости, совместимости и достаточности средств оценки параметров и характеристик РТС на разных стадиях жизненного цикла. При этом главными критериями могут рассматриваться унификация и экономическая эффективность средств контроля, испытаний и мониторинга. Стратегия гибкости, универсальности и эффективности определяет принципы построения СКИМ на всех стадиях жизненного цикла РТС. [3]
Сегодня нужны такие СКИМ, которые могут адаптировать свои возможности в соответствии с совершенствованием выпускаемой продукции, они должны быть многофункциональными, модернизируемыми, перепрограммируемыми и при этом недорогими, быстро создаваемыми и доступными для отечественного производителя РТС. Этим требованиям в полной мере соответствуют комплексы виртуальных приборов, реализующие алгоритмические методы оценки параметров РТС, включая унифицированные аппаратные средства и специальное программное обеспечение, модульное по структуре и адаптируемое к конкретной задаче.
Принципы работы виртуальных приборов базируются на использовании развитых процедур цифровой обработки данных, т.е. не на аппаратном, а на программном уровне, поэтому алгоритмизация - это главный вектор развития СКИМ РТС. Активно работающие в области испытаний зарубежные компании, такие как Hewlett-Packard, National Instruments, Tektronix, предлагают унифицированные комплексы аппаратно-программных средств для компоновки виртуальных СКИМ. Виртуальные СКИМ представляют собой гибкую совокупность аппаратно-программных средств, основой которых является ПК, обеспечивающий измерения, управление экспериментом, цифровую обработку данных, передачу и хранение информации.
Суть нового подхода заключается в алгоритмизации измерений, при которой результат получается путем вычислений, т.е. на программном уровне при минимуме аппаратных средств. Аппаратной основой СКИМ становится ПК, который дополняется аналоговыми и цифровыми адаптерами ввода-вывода. Особенностями виртуальных СКИМ является гибкость, наращиваемость, простота и быстрота адаптации к новым задачам, возможности расширения функций измерения, мониторинга и управления. Большое значение имеет развитое программное обеспечение СКИМ, использующее современные методы и алгоритмы цифровой обработки, снижающие требования к аппаратным средствам. [3]
Комплексы виртуальных приборов (КВП) строятся на базе ПК. Благодаря современным аппаратно-программным средствам и возможностям графического представления данных компьютер легко преобразуется в виртуальный прибор (ВП) и испытательный комплекс. Для этого достаточно оснастить его быстродействующими эффективно функционирующими в реальном масштабе времени пре образователями и формирователями, как показано на рис. 1, в виде плат расширения.
Рис. 1 Комплекс виртуальных приборов
виртуальный измерительный электрический прибор
ВП представляет собой комбинацию компьютера, универсальных аппаратных средств ввода/вывода сигналов и специализированного программного обеспечения (ПО). Использование серийных ПК закладывает основу относительно низкой стоимости КВП, которые имеют к тому же малые габаритные размеры.
Аппаратная и программная база ВП в настоящее время очень интенсивно развивается, а полоса рабочих частот и быстродействие ВП уже приблизились к параметрам автономных приборов. Анализ современного состояния аппаратно-программных средств испытаний и мониторинга показывает, что наиболее перспективными являются системы компьютерных приборов, которые при необходимости могут комбинироваться с приборно-модульными и крейтовыми системами. По возможностям реконфигурации, гибкости, наращиваемости, доступности, простоте ВП не имеют себе равных.
Следует отметить, что, в отличие от приборно-модульных комплексов, состоящих из совокупности устройств, каждое из которых выполняет предписанные ему функции (вольтметр измеряет напряжение, частотомер - частоту и т.д.), совершенствование вычислительной техники и развитие методов ЦОС обусловливают возможность реализации большого числа функций.[4]
Состав виртуальных приборов
Аппаратными средствами ВП являются специализированные контроллеры или ПК, интерфейсные платы, адаптеры аналогового и цифрового ввода-вывода, модули согласования и вспомогательные устройства. Рассмотрим требования к основным аппаратным средствам. ПК и его функции в структуре ВП.
В структуре ВП значительная часть приборных функций и операций осуществляется не аппаратно, а программно с помощью ПК, который является обязательным компонентом ВП и реализует процесс получения информации на алгоритмическом уровне. При этом аппаратная часть ВП может быть реализована в виде автономного модуля или встраиваемой платы ПК. Применение серийных ПК закладывает основу относительно низкой стоимости подобных систем, эффективно функционирующих в реальном масштабе времени.
Основной набор функций, передаваемых компьютеру в структуре ВП, включает задачи интерактивного взаимодействия пользователя и прибора (управление, отображение информации, сигнализация и т.д.) в форме, привычной для пользователя, с сохранением всех внешних атрибутов (панелей, ручек управления, экранов и т.д.). В этом случае взаимодействие с виртуальными компьютерными системами оказывается подобным работе с традиционными приборами. [5]
Программное обеспечение позволяет ПК выполнять роль системного контроллера с реализацией функций, предусмотренных в соответствующих стандартах. ПК как элемент управления и обработки информации обеспечивает: ? цифровую обработку и преобразование сигнала (масштабирование, взвешивание, форматирование, статистический, спектральный и корреляционный анализ, интегрирование, логическую обработку и цифровую фильтрацию); ? анализ, представление и сохранение информации с использованием программных модулей (сжатие информации, систематизация и хранение результатов, отображение цифровой и графической информации и др.); ? выполнение интерфейсных функций (интерактивное управление виртуальными приборами и внешними средствами); ? ПК может решать другие вспомогательные задачи учета, паспортизации и хранения информации на предприятии, в цехе, на участке.