Podręcznik

3. Wirtualne przyrządy pomiarowe

Wirtualny przyrząd pomiarowy stanowi ostatnie (dla tradycjonalistów kontrowersyjne) ogniwo w ewolucji przyrządów pomiarowych. Ewolucja ta zawiera kilka etapów dobrze znanych w środowisku metrologicznym. Poniżej przedstawiono krótki przegląd tych etapów, który ma doprowadzić do sformułowania definicji wirtualnego przyrządu pomiarowego [34].

Przyrządy analogowe: W przypadku przyrządów analogowych charakterystyczna była ręczna obsługa przyrządu, żmudna obserwacja wskaźnika wychyłowego oraz ręczne zapisywanie wyników pomiaru. Wynik pomiaru obarczony był dużą dawką subiektywizmu – elementu wysoce niekorzystnego z metrologicznego punktu widzenia. Automatyzacja pomiarów nie była możliwa.
Przyrządy cyfrowe: W tym przypadku wciąż obowiązywała ręczna obsługa przyrządu. Wynik pomiaru wyświetlany był na wskaźniku cyfrowym – wystąpiła eliminacja subiektywnego odczytu. Po wyposażeniu przyrządu w specjalne wyjście pojawiła się możliwość wysyłania wyników pomiaru na drukarkę oraz do komputera z wykorzystaniem jego standardowego portu równoległego (układ 8255 Intel). Wszystkie cyfry (znaki alfanumeryczne) wyniku pomiarowego wyprowadzone były w kodzie BCD. Pojawił się impuls „koniec pomiaru” (inicjacja automatycznego odczytu, wyzwalanie drukarki). Dodanie impulsowego wejścia „start pomiaru” zmotywowało, co bardziej zaradnych użytkowników, do oprogramowania portu 8255 w kierunku sterowania wyzwalaniem pomiaru. Był to pierwszy krok w kierunku automatyzacji pomiarów, która zawierała taką sekwencję zdarzeń jak: wyzwalanie pomiaru, odbiór wyniku, przetwarzanie wyniku, prosta wizualizacja na ekranie monitora. Sam program obsługi przyrządu był dość żmudny w realizacji (oprogramowanie na niskim poziomie), a efekt mało przyjazny dla użytkownika. Kompendium wiedzy na temat cyfrowych przyrządów pomiarowych zawarte jest w książce [36] – unikalnej pozycji na rynku krajowym.
Interfejsy specjalizowane. Wprowadzenie specjalizowanych interfejsów pomiarowych (takich jak np. CAMAC), umożliwiło automatyzację pomiarów, w pewnych specyficznych zastosowaniach. Rozwój tych interfejsów był niezbyt ekspansywny. Objawiło się to brakiem powszechnej standaryzacji, a co za tym idzie rozpowszechnienia interfejsów.
Interfejs IEC-625: Dopiero wprowadzenie interfejsu pomiarowego IEC-625 (w porządku chronologicznym: HPIB, GPIB, IEEE-488) zrewolucjonizowało organizację pełnej obsługi autonomicznych przyrządów pomiarowych. Interfejs IEC-625 umożliwia zdalną obsługę przyrządów (wybór funkcji pomiarowej, zakresu itp.), bezpośrednie przesyłanie wyników do kontrolera, a więc pełną automatyzację pomiarów. Objęty został standaryzacją oraz unifikacją, co doprowadziło do powstania zmodyfikowanej normy 625.2.
Inteligentne przyrządy pomiarowe: Niemal jednocześnie z wyposażeniem przyrządów w bloki interfejsu rozwijano ich zdolności do przetwarzania sygnałów pomiarowych. Polegało to na zastosowaniu mikroprocesorów (jednoukładowych, uniwersalnych, sygnałowych), co umożliwiało wykorzystanie mniej lub bardziej zaawansowanych algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów. Niemal wzorcowym przykładem takiego przyrządu był cyfrowy analizator widma.

Idea inteligentnego przyrządu pomiarowego przedstawiona jest na rysunku 3.1.

Rys. 3.1 Idea inteligentnego przyrządu pomiarowego

Taka konfiguracja autonomicznego przyrządu pomiarowego miała racjonalne uzasadnienie dopóki na biurku każdego inżyniera nie pojawił się komputer osobisty. Wtedy to okazało się, że powielanie standardowych bloków komputera, wewnątrz obudowy każdego inteligentnego przyrządu jest wysoce nieracjonalne ze względów finansowych. Równie dobrze można komputer osobisty wyposażyć w kartę (moduł) przetworników (A/C, C/A) ze sterownikiem, napisać odpowiednie oprogramowanie użytkowe i realizować oczekiwane funkcje pomiarowe oraz algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów. W celu umiejscowienia realizowanych procesów w czasie trzeba wtedy użyć standardowego zegara komputera (np.:8253, Intel). Do komunikacji ze światem zewnętrznym, w sensie sygnałów cyfrowych (sterowanie elementami obiektu pomiarowego), można wykorzystać standardowy równoległy port we/wy (np.: 8255, Intel). Takie podejście jednak nie byłoby wygodne dla użytkownika, bowiem wymagałoby od niego ingerencji w struktury rejestrowe tych układów i oprogramowania ich na niskim poziomie (rejestrowym). Producenci kart (A/C, C/A) szybko znaleźli satysfakcjonujące rozwiązanie, które polegało na dodaniu wspomnianych modułów do karty. Umożliwiło to dołączenie do sterownika karty funkcji wysokiego poziomu do ich obsługi. Taki jest rodowód karty zbierania danych (Data Acquisition: DAQ), a komputer w nią wyposażony ilustruje koncepcję wirtualnego przyrządu pomiarowego (rys. 3.2).

Rys. 3.2 Rodowód karty zbierania danych (DAQ) na tle koncepcji
wirtualnego przyrządu pomiarowego

Zaopatrzenie tak wyposażonego komputera osobistego w odpowiednie oprogramowanie, realizujące interfejs użytkownika występujący w postaci wiernego obrazu płyty czołowej konkretnego przyrządu pomiarowego, z możliwością obsługi manipulatorów za pomocą myszy, stwarza użytkownikowi wrażenie obsługi rzeczywistego przyrządu pomiarowego. Taka jest koncepcja wirtualnego przyrządu pomiarowego. Koncepcja ta wykorzystana została do stworzenia teorii opisującej struktury i konfiguracje nowoczesnych przyrządów pomiarowych w szerokim kontekście, nie mającym precedensu w długiej historii rozwoju przyrządów pomiarowych. Początek tej teorii dało rozszerzenie pojęcia wirtualnego przyrządu pomiarowego na nowe struktury, dotychczas uznawane za „systemy pomiarowe”. Kolejne etapy to zdalny dostęp do przyrządu pomiarowego (poprzez sieć komputerową), zdalny dostęp do laboratorium, wreszcie laboratorium wirtualne. Niektóre z tych pojęć wzbudzają kontrowersje czy może łagodniej niechęć tradycjonalistów (w tym niektórych metrologów), ale stały się faktem, od którego nie ma już odwrotu. W tym kontekście warto dodać, że wspomniane zdobycze metrologii mogą być bardzo przydatne w procesie nowoczesnego kształcenia na odległość, czy też wspomagania kształcenia w sensie tradycyjnym, a przede wszystkim kształcenia ustawicznego. Z chwilą pojawienia się niemal powszechnego dostępu do Internetu te znane formy kształcenia nabierają rumieńców, a dalszy ich rozwój jest nieunikniony.