Turinys

ĮVADAS

Technologijų dėka, kompiuterinės matavimo sistemos yra realybė. Dėl šiandieninių kompiuterinių matavimo sistemų auga produkcijos našumas, pritaikomumas, panaudojimo nuoseklumas ir aiškumas, patikimumas, pralaidumas, galimybė spręsti daugiau kompleksinių matavimo uždavinių.

1 pav. Suvesta technologijų galia.

Matavimo prietaisai padeda vystytis mokslui ir tobulėti technologijoms. Visame pasaulyje mokslininkai ir inžinieriai prietaisus naudoja matavimams, kontrolei ir fizinės erdvės suvokimui. Mūsų gyvenimo kokybė priklauso nuo prietaisų, kurie bus kuriami ateityje – nuo pagrindinio tiriamojo darbo moksliniame gyvenime, projektų, testų, pačios gamybines pramonės lygio, gamybos procesų kontrolės nesuskaičiuojamose pramonės šakose.

Duomenų išvedimo į ekraną prietaisai išsivystė iki moderniausių osciloskopų ir analizatorių. Ir galų gale, aukštos kokybės personalinių kompiuterių pagalba atliekami sudėtingi skaičiavimai ir atvaizduojami ekrane.

Anksčiau duomenys buvo išsaugomi atskiruose prietaisuose. Tobulėjant personaliniams kompiuteriams (PC), duomenų išsaugojimo galimybės taip pat pasikeitė. Juos perduoti ir išsaugoti galima daug lanksčiau, taip pat lengviau analizuoti ir panaudoti.

Atisrado galimybė vykdyti ivairias matavimo prietaisų funkcijas, panaudojant daviklį, analoginį – skaitmeninį keitiklį ir tam tikras programas. Taip pat tuos duomenis apdorti, t.y. pateikti tos eilės matavimo rezultatus, kurie teisingiausiai apibūdina matavimo rezultatą. Visa tai pagrinde ir yra virtualaus matavimo prietaiso charakteristikos.

1. Apžvalga

1.1. Kompiuterinės matavimo sistemos

Milijonai viso pasaulio mokslininkų ir inžinierių naudoja PC, kad palengvintų ir automatizuotų savo mokslinius tyrinėjimus, sumanymus, gamybines užduotis.

Padidėjus PC našumui ir galimybėms, jie nukonkuravo sudėtingas darbines stotis visų pirma dėl kainos. Todėl šiuo metu yra daug lengviau atlikti įvairius tyrinėjimus dėl lengvai naudojamos ir galingos programinės įrangos ir jos plataus pritaikymo įvairiose aplinkose. Išvardintų galimybių vystymasis leidžia greičiau kutri dar daugiau galimybių turinčias programas.

Paplitus PC, matavimo prietaisų terminologijoje išpopuliarėjo naujas terminas. Terminas “virtualūs matavimo prietaisai” apibūdina programuojamų prietaisų sujungimą su pagrindiniu tikslu – PC.

Išskiriant svarbiausias matavimo prietaisų funkcijas, virtualūs matavimo prietaisai simbolizuoja esmines nuo technine įranga pagrįstu matavimo prietaisų iki programine įranga pagrįstų sistemų, kurios išnaudoja standartinio galingo ir nebrangaus PC skaičiavimo, vaizdavimo, produktyvumo ir sujungimo galimybes, permainas.

pav. Prietaisų prijungimo būdai prie kompiuterio.

Kompiuteris nuosekliai gali būti prijungtas prie GPIB, VXI, PXI/CompactPCI matavimo prietaisų, duomenų atpažinimo (DAQ) prietaisų ir vaizdų atpažinimo (IMAQ) prietaisų, kad galėtu atlikti matavimus, kontroliuoti procesus ir tikrinti gamybą.

PC revoliucija vartotojus aprūpino nuosavomis galingomis informacijos apdorojimo ir vaizdavimo galimybėmis. Sujungus pastovias tradicinio matavimo prietaiso galimybes su lanksčiomis vartotojo nustatytomis kompiuterio galimybėmis, gaunamas virtualus matavimo prietaisas.

Dinaminių signalų matavimams pilnai pakanka naudoti PC. Tai įmanoma dėl šiuolaikinių galingų procesorių ir PCI pagrindine magistrale perduodamo duomenų srauto dydžio. Pavyzdžiui, anksčiau, garso ir vibracinės matavimo sistemos buvo nukreiptos į atskiras VME, VXI arba GPIB sistemas, kurios buvo su įprasta technine ir programine įranga ir galėjo perduoti žemo lygio signalą.

pav.

Milijonai vartotoj naudoja PC namuose ir darbe, ir PC rinkoje varžybos dėl jos užkariavimo yra nuožmios, nors vartotojai visada laimi, nes jiems siūlomos aukštos kokybės ir plačių galimybių PC žema kaina.

Norint perduoti, gauti ir atkurti signalų ir vibracijų duomenis, reikia galingų procesorių ir magistralių sąsajų. Šiuolaikiniai kompiuteriai tai turi. Kuriama dar tobulesne programinė įranga, kad bet kokio dinaminio signalo kodą naudojamą šiuolaikiniuose PC, pakartotinai galima būtų panaudoti ateities kompiuteriuose. Atsiranda galimybė lanksčiai ir lengvai modernizuoti sistemas.

Sistemų lankstumas

Kai yra pasirenkama dinaminio signalo matavimo sistema industrinei automatizacijai, testavimui ir matavimams, laboratoriniam pritaikymui, atsižvelgiama į kainos ir pritaikymo lankstumo sferas. Kompiuterinės sistemos yra lanksčios, nes programinė įranga yra sukurta pagal pritaikymo lygį. Daroma įtaka PC techninei ir programinei įrangai mažina kainų lygį.

pav. Sprendimų kreivė.

Jei tokių sistemų vystymasis netenkina užduotų reikalavimų, kitas variantas yra dirbti su sudėtine sistema. Nustatomos sąlygos, ir sudėtinė sistema vysto jau esamą sistemą. Yra firmų, kurios vysto dinaminių signalų matavimo sistemas, pavyzdžiui, garso ir vibracijų matavimai. Taip pat padeda įsisavinti jau įdiegtų sistemų esminius bruožus. Sudaroma galimybė kontroliuoti programinę ir techninę įrangą savarankiškai. Visiškai užbaigtos sistemos yra nustatytos prekiautojo ir yra sukurtos specifiniams, konkretiems uždaviniams spręsti. Šios sistemos turi puikias eksploatacines savybes, taip pat jomis naudojantis sutaupoma laiko. Tačiau, tokią įrangą sunku pritaikyti iškilusioms naujoms pritaikymo sritims. Be to, tokios rūšies sistemos yra brangesnės ir yra taikomos moderniems PC ir puikiai funkcionuojančioms technologinėms sistemoms.

Matavimo prietaisų panaudojimas

Duomenys pateikti 1 lentelėje.

1 lentelė.

GPIB galimybės:

GPIB tai bendros paskirties skaitmeninė sąsaja, kuri gali būti naudojama duomenų perdavimui tarp dviejų ar daugiau prietaisų.

Ši sąsaja talpina “magistralę kabelyje” – turi aštuonias dvikryptes linijas duomenims ir aštuonias dvikryptes linijas kontrolei. Jos nominali 1Mb/s duomenų perdavimo sparta leidžia naudoti šią sąsają sudėtinguose ir greičio reikalaujančiose duomenų perdavimo operacijose.

GPIB sąsaja prie kompiuterio gali būti prijungta plokščių (ISA, PCMCIA, NUBUS), nuoseklių (RS 232), lygiagrečių sąsajų pagalba.

Galimybės:

iki 15 prietaisų gali būti prijungta prie vienos sąsajos (įskaitant ir kontrolerį), pasirenkant prietaiso adresą nuo 0 iki 30;

bendras sąsajos kabelio ilgis iki 20 metrų, kabelis tarp prietaisų iki 2 metrų;

duomenys ar pranešimai siunčiami vienu baitu (8 bitai vienu metu);

pranešimų protokolai yra apdorojami aparatūriškai;

duomenų perdavimo sparta iki 1Mb/s

Galima prijungti ir specialius prietaisus, kurie padidintų vieną ar kitą sąsajos parametrą. Pvz., naudojant 4889 Fast Bus Extender galima sąsajos ilgį išplėsti iki 25 km; duomenų perdavimo sparta yra virš 300 kb/s

VXI sąsaja pavaizduota 5 pav.

5 pav. VXI sąsaja.

VXI galima panaudoti įvairiais variantais. Galima sukurti sistemą, kuri butų sudaryta vien iš VXI prietaisų. Arba galima konstruoti integruotą sistema, sudarytą iš GPIB, PXI ir kt. sąsajų (pav 6).

6 pav. Integruota sistema.

Duomenų perdavimo įvairiomis sąsajomis galimybės pateiktos 2 lentelėje.

2 lentelė.

RS-232, RS-422 ir RS-485 savybės detaliau pateiktos 2 lentelėje.

2 lentelė.

Matavimams taikoma programinė įranga pateikta 3 lentelėje.

3 lentelė.

Programinė aplinka LabWIEW savo logine struktūra artima Basic programavimo kalbai. Bet ji turi viena pagrindinį skirtumą – nereikia rašyti programų tekstų, o programų sukūrimui naudojamas grafinis programavimo principas blokinių schemų pavidale. Toks programavimo principas yra prieinamas daugeliui vartotojų.

Galima statistiškai apdoroti duomenis, pravesti išsamia analizę, nes atsiranda galimybė užrašyti didelių masyvų duomenis ir taip atsiminti visus eksperimento rezultatus. Plačiose ribose matuojant įvairius fizikinius matavimus sunku surišti matuojamus dydžius su skaitmeninio apdorojimo įrenginiu. Svarbus LabVIEW sistemos ypatumas – analoginio – skaitmeninio keitiklio stiprinimo koeficiento valdymas.

Kaip universali programavimo sistema, LabVIEW turi įprastas duomenų priėmimo, analizės ir pateikimo bibliotekas.

Programų realizavimas LabVIEW aplinkoje yra vadinamas virtualiais prietaisais arba instrumentais todėl, kad jų išorinis grafinis atvaizdavimas ir funkcionavimo būdas gali imituoti realių fizikinių prietaisų darbą ir išmatuotų charakteristikų rezultatus.

LabVIEW duomenų analizė ir matematinis suskirstymas

Žemiau išvardintame sąraše pateikti duomenys, naudojami LabVIEW sistemoje.

Matavimai

AC & DC Estimator

Amp & Freq Estimate

Amplitude & Phase Spectrum

Auto Power Spectrum

Cross Power Spectrum

Harmonic Analyzer

Impulse Response

Network Functions (avg)

Power & Frequency Estimate

Scaled Time Domain Window

Spectrum Unit Conversion

Transfer Function

Signalų generavimas

Arbitrary Wave

Chirp Pattern

Gaussian White Noise

Impulse Pattern

Periodic Random  Noise

Pulse Pattern

Ramp Pattern

Sawtooth Wave

Sinc Pattern

Sine Pattern

Sine Wave

Square Wave

Triangle Wave

Uniform White Noise

Langai

Blackman Window

Blackman-Harris Window

Cosine Tapered Window

Exact Blackman Window

Exponential Window

Flat Top Window

Force Window

General Cosine Window

Hamming Window

Hanning Window

Kaiser-Bessel Window

Triangle Window

Filtrai

Bessel Filter

Butterworth Filter

Cascade Filter

Chebyshev Filter

Elliptic Filter

Equi-Ripple Filter

FIR Filter

FIR Narrowband Filter

FIR Windowed Filter

IIR Cascade Filter

IIR Filter with I.C.

IIR Filter

Inverse Chebyshev Filter

Median Filter

Parks-McClellan Coeficients

Statistika

1D, 2D, and 3D ANOVA

Chi Square Distribution

Contingency Table erf(x) and erfc(x)

F Distribution

General Histogram

Histogram*

Inv Chi Square Distribution

Inv F Distribution

Inv Normal Distribution

Inv T Distribution

Mean*

Median*

Mode*

Moment about Mean

MSE

Normal Distribution

Polynomial Interpolation

Rational Interpolation

RMS

Spline Interpolant

Spline Interpolation

Standart Deviation*

T Distribution

Variance

Signalų apdorojimas

AutoCorrelation

Convolution

Cross Power

CrossCorrelation

Decimate

Deconvolution

Derivative x(t)

Fast Hilbert Transform

Fast Hartley Transform

Integral x(t)

Inverse FFT, Real and Complex

Inverse Fast Hilbert Transform

Inverse FHT

Peak Finding

Power Spectrum

Pulse Parameters

FFT, Real and Complex

Threshold Peak Detector

Unwrap Phase

Y[i]=Clip

Y[i]=X[i-n]

Kreivių pritaikymas

Exponential Fit

General LS Linear Fit

General Polynomial Fit

Linear Fit

Nonlinear Lev-Mar Fit

1D and 2D Linear Evaluation*

1D Polar to Rectangular

1D and 2D Polynomial Evaluation*

1D Rectangular To Polar

Numeric Integration

Polar To Rectangular

Quick Scale 1D and 2D

Rectangular To Polar

Scale 1D and 2D

Find Polynomial Roots

Tiesinė algebra

A X B*

A X Vector*

Determinant*

Dot Product*

Inverse Matrix*

Liner Equations

Normalize Matrix and Vector

Outer Product*

Trace

Unit Vector

LU Factorization

Cholesky Factorization

QR Factorization

SVD Factorization

EigenVectors and EigenValues

Matrix Condition Number

Matrix Norm and Rank

Pseudo Inverse Matrix

Complex LU Factorization

Complex Cholesky Factorization

Complex QR Factorization

Complex SVD Factorization

Complex Inverse Matrix

Complex Linear Equations

Complex EigenVectors and Values

Complex Determinant

Complex Matrix Condition Number

Complex Matrix Norm and Rank

Complex Pseudo Inverse Matrix

Complex A x B

Complex A x Vector

Complex Dot Product

Complex Outer Product

Complex Vector Norm

Generate a Special Matrix

Test Positive Definite Matrix

Matematika

Ordinary Differential

Equations

Euler Method

Runge Kutta

Cash Karp

Linear Systems

And more…

Optimization

Levenberg Marquardt

Linear Programming

Brent Derivative

Downhill Simplex

Root Solving

Strurms Chain

Newton Raphson

Ridders

Integration

Differentiation

Laplace Transform

Wavelet Daubechies

Transform

Functions

Gamma

Bessel

Jacobi

Beta

Chebyshev Polynomial

Binomial Coefficient

And many more…

* Denotes Vis that ship with the base version of LabVIEW for Windows 2000/NT/9x.

Metavimai, naudojant Microcoft Excel

Galimybės:

Tiesioginis duomenų įgyjimas ir matavimo retaisų kontrolė Microcoft Exel‘iu, panaudojant DAQ įrenginius, GPIB matavimo prietaisus ir nuoseklius (RS-232) matavimo pretaisus.

Bet kokio nuoseklaus (RS-232) arba GPIB matavimo prietaiso kontrolė.

Nereikia tikrinti, perkėlinėti ir taisyti duomenų duomenys talpinami dialoginės duomenų apdorojimo sistemos celese.

Lengva kontroliuoti operacijas.

Pritaikymas:

Temperatūros matavimams;

Laboratoriniams eksperimentams;

Konstravimui;

Prototipo testavimui ir pritaikymui;

Švietimui;

Tikrinti projektams.

Reikalinga techninė įranga:

su 4 MB RAM (486/33 su 8 MB RAM), 5 MB laivos vietos dike.

Programinė įranga:

Windows 2000/NT/9x su Excel 7.0 arba Office 97, Office 2000 Windows 3.1 su Excel 5.0c

7, 8 ir 9 pav. pavaizduoti matomi langai.

7 pav.

8 pav.

9 pav.

Išvados

Kompiuteris pagrindinis įrenginys, atliekant bet kokius virtualius matavimus. Jis atlieka sąsajos funkciją grandyje “žmogus-matavimo objektas”. Bet kokio monitoriaus ekranas leidžia kur kas geriau stebėti procesus, nei oscilografo ekranas (nors jis ir būtų su atmintim), be to monitoriaus ekranas didesnis, nei multimetro displėjus. Naudojant klaviatūrą, o svarbiausia pelę, žymiai patogiau dirbti, nei spaudant mygtukus, o net paprasčiausias spausdintuvas leidžia atspausdinti rezultatus popieriuje. Bet koks PC, nors ir labai senas, turi didelę skaičiuojamąją galią, kurią galima panaudoti skirtingais būdais apdorojant matavimų rezultatus: normavimą, laikinį priskyrimą, statistinių parodymų apskaičiavimą ir t.t. ir pagaliau, diskinis kaupiklis labai patogus laikyti dideliam informacijos kiekiui, kurią vėliau galima apdoroti, galima saugoti arba perduoti tinklu kitiems PC.

Literatūros sąrašas

The Measurement and Automation. Catalog 2000.- 2000.- 880 p.

Использование виртуальных инструментов LabVIEW.- Москва, Солон - Р, 1999.- 2 p.

Mahech L. Chugani LabVIEW Signal Processing. – Prentice Hall PTR. – 634 p.

https://www.ni.com.