Новые технологии измерений на основе виртуальных измерительных систем

1.Введение.Новые технологии измерений и МО на основе Виртуальных Измерительных Систем (ВИС).

Буквально за последние 5 лет на западе произошла революция в создании и разработке измерительных средств. Это в первую очередь связано с активным развитием компьютерных технологий применительно к технологиям измерений.

Основными достижениями революции в измерительных технологиях стали:

Так называемые DAQ - boards ( Data Acquisition Boards - Платы сбор данных) - измерительные модули, встраиваемые непосредственно в компьютер(ПК).

Специализированные измерительные интегрированные программные оболочки для сбора, обработки и визуального представления измерительной информации(например - LabVIEW).

Под Виртуальными Измерительными Системами понимается средство измерений, построенные на базе персональных компьютеров (ПК), встраиваемых в компьютер многофункциональных и многоканальных АЦ - плат, внешних программно-управляемых модулей предварительной обработки сигналов и приборов и специализированных измерительных интегрированных программных оболочек для сбора, обработки и визуального представления измерительной информации.

В отличие от традиционных средств, их функции, пользовательский интерфейс, алгоритмы сбора и обработки информации определяются пользователем а не производителем. Эти средства называются Виртуальными по 2^мосновным причинам:

С помощью одного и того же аппаратного и программного обеспечения можно сконструировать систему, выполняющую совершенно различные функции и имеющую различный пользовательский интерфейс.

Управление такими системами, как правило, осуществляется через графический пользовательский интерфейс (Graphics User Interface - GUI) при помощи технологии Drag-and-Drop(“Перенёс и положил”) с использованием манипулирования мышью через виртуальные элементы управления, расположенные на виртуальных приборных панелях.

Такие системы компонуются с помощью Графического Программирования.

ВИС строятся на следующих типах аппаратного обеспечения:

Платы сбора данных (встраиваемые). Характерно наличие нескольких входов: 2-24,выходов:2-4, счётчиков/таймеров:1-2.Такие платы имеют программно управляемые коэффициенты усиления по различным каналам, частоте, напряжению и т.д.

Процессоры сбора данных: DAP - boards - те же платы но со встроенными :

Собственным процессором (Intel 80486, Intel Pentium)

Также сигнальные процессоры.

Внешние программно-управляемые модули предварительной обработки сигналов - SCXI-модули (обмен данными по шинам ISA, EISA).

Законченные программно-управляемые приборы, работающие в различных интерфейсах:

RS-232

IEEE488(2)

VXI

VME

Q-bus

Кабели, терминалы и другие сетевое и вспомогательное оборудование.

ПК

1.1.Программные компоненты ВИС:

Сетевые суперсреды - для функционирования на распределённых ИС.

Интегрированные измерительные оболочки. Их основные функции - сбор, обработка и визуальное представление информации. Существуют оболочки большой, средней и малой мощности.

Проблемно-ориентированные оболочки - для решения ограниченного круга измерительных задач.

Прикладные проблемно-ориентированные пакеты. Для расширения функциональных возможностей программных оболочек в конкретной предметной области.

Инструментальные пакеты - для расширения функциональных возможности виртуальных инструментов в той же среде.

Библиотеки драйверов. Часто поставляются в виде расширения обычных языков программирования.

Экспертные системы и БД.

Интерактивные проблемно-решающие средства( например - Math Lab).

Демонстрационно-обучающие программы.

Автоматизированные проектировщики ИС(DAQ Designer).

Необходимо отметить, что большим недостатком ВИС является то, что эти системы не оценивают погрешности. Проблема метрологического сопровождения не решена на сегодняшний день, но может быть реализована при помощи программных средств.

В данном реферате мы для понимания принципа построения ВИС более подробно рассмотрим инструментальный пакет LabVIEW фирмы National Instruments.

2. Что представляет из себя LabVIEW?

LabVIEW - прикладная программа разработки пользовательских приложений, очень схожая с языками C или БЕЙСИК, или National Instruments LabWindows/CVI. Однако, LabVIEW отличается от этих прикладных программ в одном важном отношении. Другие системы программирования используют текстово - ориентированные языки, для создания строк исходного кода программ, в то время как LabVIEW использует графический язык программирования, под кодовым названием "G", для создания программ в форме блок-схемы.

LabVIEW, подобно C или БЕЙСИКУ, является универсальной системой программирования с мощными библиотеками функций для различных задач программирования. LabVIEW включает в себя библиотеки инструментов для:

сбора данных,

обмен данными с устройства по GPIB (Многофункциональный Интерфейс фирмы HP) ,

обмен данными с устройства по стандарту RS-232,

анализа данных,

представления данных,

хранения обработанных данных на носителях различного типа.

LabVIEW также включает стандартные средства автоматического проектирования приложений, такие, что Вы можете устанавливать контрольные точки, представлять в виде стендовой модели выполнение Вашей программы, так, чтобы видеть, как данные проходят через программу шаг за шагом, чтобы упростить понимание происходящих процессов.

3.Как работает LabVIEW?

LabVIEW - универсальная система программирования, но также включает библиотеки функций и средств проектирования, разработанных определенно для сбора данных и инструментов управления и обработки данных. Программы LabVIEW названы виртуальными приборами (VIs), потому что их действия и внешний вид может имитировать реальные приборы. В тоже время, VIs подобны функциям стандартных языков программирования. Однако, VIs имеют ряд преимуществ перед функциям стандартных языков программирования:

VIs более наглядны,

просты для конструирования измерительных модулей и взаимодействия с оператором,

Внутренняя структура VIs является для пользователя “чёрным ящиком” с известными входами и выходами, что упрощает применение VIs и обеспечивает автоматическую совместимость различных VIs. Однако в этом можно обнаружить существенный недостаток. Из за того, что неизвестна внутренняя структура VIs, то не известны и погрешности, возникающие внутри VIs. Соответственно, в случае если погрешности не документированы их приходится принимать равными нулю.

3.1.Структура VI.

VI состоит из интерактивного интерфейса пользователя, диаграммы прохождения данных, которая служит исходным текстом, и пиктограммы соединения (входы и выходы), которые позволяют VI быть вызванными из VIs более высокого уровня.

Более определенно, проектируемый VI структурирован следующим образом:

Интерактивный интерфейс пользователя VI назван Передней Панелью, потому что он моделирует панель реального прибора. Передняя панель может содержать кнопки, переключатели, индикаторы, диаграммы, графики, и другие средства отображения и управления. Вы вводите данные, используя мышь и клавиатуру (имитируя действия с реальной передней панелью ) , и затем просматриваете результаты на экране компьютера.

VI получает команды от блок-схемы,(состоящей из VIs более низкого уровня и примитивов), которую Вы создаете в языке визуального проектирования “G”. Блок-схема - это иллюстрированный алгоритм действий VI, одновременно являющийся исходным текстом VI.

Пиктограммы соединений VI и связи между ними работают подобно разъёмам и соединяющей шине в реальных приборах, и необходимы для того, чтобы VIs могли обмениваться данными друг с другом. Пиктограммы соединений и связи между ними позволяют Вам использовать свои VIs как модули в других VIs.

При наличии всех этих свойствами, LabVIEW однозначно является средством визуального модульного проектирования. Вы разбиваете свою прикладную алгоритм на ряд субалгоритмов, которые Вы также можете разбить ещё раз, до тех пор, пока сложный прикладной алгоритм не превратиться в ряд простых подзадач. Вы формируете VI, чтобы выполнить каждую подзадачу, а затем объединять эти VIs на другой блок-схеме, чтобы выполнить глобальную задачу. В заключение, ваш основной VI содержит совокупность субVIs, которые являются совокупностями функций LabVIEW.

Отладка алгоритма намного облегчается тем, что Вы можете выполнять каждый субVI отдельно от кроме остальной части прикладной задачи. Кроме того, многие субVIs низкого уровня часто выполняют типовые действия, общие для различных прикладных задач, так, что Вы можете разработать специализированный набор субVIs хорошо подходящий для нужных вам задач.

3.2.Передняя панель

Интерфейс пользователя VI подобен интерфейсу пользователя реального прибора. Передняя панель VI может выглядеть примерно так, как на рис.1:

Рисунок 1. Возможный вариант передней панели VI.

Передняя панель VI - прежде всего комбинация средств управления и индикаторов. Средства управления моделируют реальные устройства ввода данных и обеспечивают их поступление в блок-схему VI. Индикаторы, моделируют реальные устройства вывода, которые отображают данные, полученные на выходе блок-схемы VI.

Вы добавляете средства управления и индикаторы на переднюю панель, выбирая их из т.н. “всплывающей палитры средств управления”(из списка имеющихся в наличии компонент), показанной на рис.2:

Рисунок 2."Всплывающая

палитра компонент LabVIEW"

Вы можете изменять размер, форму, и позицию переключателей или индикаторов. Кроме того, каждый переключатель или индикатор имеет всплывающее меню, которое Вы можете использовать, чтобы изменить различные свойства или выбрать различные параметры редактируемого объекта.

3.3.Блок-схема

Окно диаграммы содержит блок-схему VI, которая является графическим исходным текстом VI для LabVIEW. Вы создаете блок-схему путем объединения вместе объектов, которые выдают или принимают данные, выполняют необходимые функции, и управляют процессом выполнения задачи.

Рисунок 3.Блок-схема и часть передней панели VI сложения и вычитания двух чисел.

На рис .3. приведены передняя панель и блок-схема простого VI, который вычисляет сумму и разность между двумя числами. На блок-схеме приведены базисные объекты, необходимые для решения задачи - узлы, выходы элементов управления и набора исходных данных, входы индикаторов, и провода.

Когда Вы помещаете элемент управления и набора исходных данных, или индикатор на переднюю панель, LabVIEW помещает соответствующий ему пиктограмму входа/выхода в блок-схему. Вы не можете удалить пиктограмму входа/выхода, которая принадлежит элементу управления или индикатору. Пиктограмма исчезнет сама тогда, когда Вы удалите элемент управления или индикатор.

Функции Add(Добавить) и sub>tract(Уменьшить) также имеют пиктограммы входа/выхода. Их можно воспринимать как порты(разъёмы) выхода и входа. Данные, которые Вы вводите в элементах управления на передней панели (в данном случае это “a” и “b”) передаются через пиктограммы входа/выхода в блок-схему. Затем данные поступают в функции Add и sub>tract. Когда функции Add и sub>tract завершают свои внутренние вычисления, они выдают обработанные данные в свои пиктограммы выхода. Данные поступают на пиктограммы входа у индикаторов и повторно выводятся на переднюю панель.

Узлы - это выполнимые элементы программы. Они аналогичны инструкциям, операторам, функциям, и подпрограммам в стандартных языках программирования. Функции Add и sub>tract являются одним и тем же типом узла. LabVIEW имеет мощную библиотеку функций для математических вычислений, сравнений, преобразований, Ввода/вывода, и других действий. Другой тип узлов - структура. Структуры - это графические представления циклов и операторов выбора традиционных языков программирования, которые повторяют блоки исходного текста или выполняют их в зависимости от условия. LabVIEW также имеет специальные узлы для компоновки с внешним текстово-основанным кодом и для обработки текстово-основанных формул.

Провода - линии данных между источником и приемником. Вы не можете присоединить пиктограмму выхода к другой пиктограмме выхода, или пиктограмму входа к пиктограмме входа. Вы имеете возможность присоединять один источник к нескольким приемникам. Каждый провод имеет различный вид или цвет, в зависимости от типа данных, которые передаются по этому проводу. Предыдущий пример показывает вид провода для числового скалярного значения - тонкая, сплошная линия.

Принцип, который управляет выполнением программы LabVIEW, назван Принципом Передачи Данных :

Узел выполняется только тогда, когда все на все его входы поступили данные;

Узел выдаёт данные на все выходы, только тогда, когда заканчивает выполняться заложенный в нем алгоритм;

Данные передаются от источника к приёмнику без задержки.

Этот принцип заметно отличается от методов выполнения стандартных программ, в которых команды выполняются в той последовательности, в который они написаны.

3.4.Пиктограммы и Разъёмы входа/выхода

Когда пиктограмма VI “A” помещена в диаграмму VI “B”, то VI “A” становится субVI, (в LabVIEW аналог подпрограммы). Элементы управления и индикаторы субVI получают и возвращают данные из/в VIs, которые произвели их вызов .

Разъём входа/выхода - набор пиктограмм, через который происходит присоединение VI к элементам управления или индикаторам. Пиктограмма - это иллюстрированное представление алгоритма VI, или текстовое описание этого VI.

Рисунок 4.Пример пиктограммы VI.

Каждый VI имеет заданную по умолчанию пиктограмму, которая отображается в области “Окна Пиктограммы” в верхнем правом углу “Окна блок-схемы” и “Окна передней панели”. Такая пиктограмма приведена на рис.4.:

Каждый VI также имеет разъем входа/выхода, который можно найти выбрав, “Show Connector” в области окна пиктограммы на передней панели. Когда Вы определяете разъём входа/выхода впервые, LabVIEW предлагает Вам образец такого разъёма. Вы можете выбрать необходимое вам число входов и выходов в разъёме .

4.Заключение

В заключении стоит упомянуть о том, что ВИС являются подклассом так называемых Интеллектуальных Измерительных Систем(ИИС). Ниже приведена таблица с перечислением характерных для ИИС и ВИС признаков и возможностей:

Характеристика	Есть ли в ИИС?	Есть ли в ВИС?
Возможность восприятия и активного использования априорной и текущей информации об измеряемом объекте в процессе измерения величины.	Да	Да
Возможность выполнения предварительной идентификации объекта, процесса или величины с целью выбора адекватной измерительной процедуры и соответствующих аппаратных и программных средств.	Да	Да
Предварительное автоматическое планирование измерительного эксперимента путём оптимизации заданных показателей качества результатов измерений при заданных ограничениях.	Да	Нет
Возможность автотестирования, самокалибровки и метрологического автосопровождения результатов измерений, т.е. оценки их погрешности в реальном масштабе времени с учётом реализованного алгоритма измерений	Да	Нет
Возможность параметрической адаптации выбранного измерительного алгоритма к условиям внешней и внутренней ситуации.	Да	Нет
Способность к самообучению.	Да	Нет
Наличие интеллектуального пользовательского интерфейса между системой и оператором.	Да	Да
Возможность сжатия информации, содержащейся в результатах измерений и представление её пользователю в компактном и наглядном виде. Возможно также принятие некоторых решений.	Да	Да

Написание диссертаций, дипломных и курсовых работ, рефератов