Компьютерные измерительные системы (КИС)

В настоящее время сформировалось новое направление в метрологии и измерительной технике КИС и их разновидности, виртуальные измерительные приборы (ВИП). КИС включает в себя компьютер, работающий в режиме реального времени (в режиме on-line).

ПЭВМ используются не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. КИС на основе ПЭВМ заменяют стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и др.) системой виртуальных приборов. Причем ряд этих приборов может быть активизирован (воспроизведен) на одном ПЭВМ одновременно.

К отличительным особенностям и основным преимуществам КИС по сравнению с МП приборами относятся:

· возможность использования обширного фонда стандартных программ, позволяющих решать широкий круг прикладных задач измерений, исследования и обработки сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками;

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

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

· возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости;

· возможность составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;

· возможность оперативного использования различных устройств, документирования результатов измерений.

В самом общем случае КИС может быть построена двумя способами: с последовательной и параллельной архитектурой.

В КИС с последовательной архитектурой (централизованные системы) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому вся соответствующая электроника размещается на слотах компьютера. Достоинства такой архитектуры построения КИС заключаются в том, что благодаря использованию принципа разделения обработки по времени стоимость системы не велика.

В КИС с параллельной архитектурой содержится ряд параллельных каналов измерения, каждый из которых имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования. Подобный принцип построения КИС 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.

Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляется с помощью внутренней шины ПЭВМ, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, принтер, плоттер), так и измерительная схема, состоящая из коммутатора и блока образцовых, программно-управляемых мер напряжения и частоты.

С помощью ЦАП вырабатываются управляющие аналоговые сигналы, интерфейсный модуль подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Контроллер устройства обеспечивает подачу аналоговых сигналов с внешних датчиков на узлы системы.

Достаточно простые узлы КИС могут быть размещены на одной плате ПЭВМ. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с решаемой задачей по установленной программе коммутируются необходимые измерительные элементы, т.е. меняется архитектура построения системы.

Одним из элементов КИС является блок образцовых программно-управляемых мер напряжения, частоты и др. В качестве встроенных образцовых мер напряжения в КИС чаще всего применяют стабилитроны с малым показателем температурного дрейфа.

В КИС предусмотрена возможность определения индивидуальных функций влияния температуры на различные параметры виртуального прибора: дрейф нуля, сопротивление переключателей, коэффициенты передачи различных структурных элементов. Непрерывный контроль температуры блоков позволяет автоматически корректировать возникшие погрешности измерений.

Одной из установившихся тенденций в области автоматизации измерений является внедрение в практику измерений виртуальных сред сбора и обработки информации. Это стало возможным благодаря интенсивному развитию современных компьютерных технологий. Виртуальные среды позволяют создавать программные модули обработки данных, т.е. виртуальные приборы, которые могут использоваться в практике измерений наравне с реальными.

Практическим воплощением концепции виртуального инструмента стала среда разработки программ labVIEW. Существенным отличием этой среды программирования от большинства существующих является использование в ней языка графического программирования. Кроме того, в labVIEW имеется большая библиотека процедур и функций, универсальных для большинства прикладных задач управления средствами измерений, сбора и обработки данных. В целом labVIEW вобрал в себя наиболее перспективные подходы и решения современной технологии автоматизации измерений.

Программы, созданные а среде labVIEW, имеют три основные составные части: переднюю панель; блок-диаграмму и пиктограмму.

Передняя (лицевая панель) виртуального инструмента может содержать графическое изображение кнопок, клавиш, регуляторов и других органов управления и индикации. Конструирование лицевой панели сводится к составлению картинки из различных индикаторов и управляющих элементов, находящихся в меню. Управление системой осуществляется путем изменения положений переключателей, поворота ручек управления и введения значений с клавиатуры.

Блок-диаграмма представляет собой графическое решение задачи. Она составляется на графическом языке программирования. Затем встроенный в labVIEW компилятор транслирует программу в машинный код. Функциональными блоками, выбираемыми из меню, могут являться блоки элементарных алгебраических операций, функции сбора и анализа данных, сетевые операции и др.

Пиктограмма является графическим представлением ВИП в блок-диаграмме. Пиктограмма позволяет свернуть ВИП в объект, который можно использовать в блок-диаграммах других ВИП в качестве функций.

Аппаратная составляющая ВИП, обеспечивающая ввод реальных сигналов измерительной информации, может реализоваться в виде встраиваемых в компьютер сменных плат или в виде внешних устройств.

Внешние устройства сбора данных и управления (УСДУ) начали разрабатывать и внедрять с появлением переносных портативных компьютеров. В таких устройствах преобразование сигнала в цифровую форму производится несколькими синхронизированными АЦП, реализованными в виде единой матрицы логических элементов. Такие устройства наиболее удобны для использования в полевых условиях.

Таким образом, набор аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компьютеру и образующие ВИ, можно рассматривать как основу компьютерных измерительных технологий (КИС). Взаимодействие между отдельными элементами системы в КИС осуществляется с использованием внутренней шины ПЭВМ, а стандартные измерительные приборы могут заменяться виртуальными.

Характерной особенностью КИС является их открытость. Так, при использовании среды программирования labVIEW имеется возможность создавать ВИ, работающие с реальным сигналом не только через плату сбора данных, но и с функционально-модульным интерфейсом. Для работы с таким интерфейсом используют приборные драйверы, т.е. программы, которые управляют отдельными приборами. labVIEW имеет свою библиотеку приборных драйверов, но это не исключает возможность создания любых других необходимых драйверов.

Шунты, добавочные резисторы

Принцип работы электромеханических омметров

Измерение магнитного потока

Резонансный метод измерения частоты

Основные компоненты ИИС

Вернуться в оглавление: Методы и средства измерений электрических величин