Podręcznik

3.2. Charakterystyka przyrządów wirtualnych

Doświadczenia w zakresie implementacji wirtualnych przyrządów pomiarowych są już na tyle duże, że upoważniają do wprowadzenia pewnego rodzaju kategoryzacji i systematyzacji.

 

Kategorie przyrządów wirtualnych

Już sama definicja, z uwagi na brak precyzji w sformułowaniach, wskazuje na dużą różnorodność w zakresie architektury przyrządów wirtualnych. Z grubsza możne je podzielić na trzy kategorie, w których skład wchodzą następujące elementy:

6780. A. Fizycznie istniejące przyrządy autonomiczne wyposażone w interfejsy przyrządowe IEC-625 lub RS232 (i pochodne), panel graficzny na ekranie monitora (symulujący płytę czołową) - obsługa przyrządu za pomocą „myszy”,
6780. B. Karta DAQ lub moduły VXI, (PXI, PCI - bez płyty czołowej, w miejsce przyrządu autonomicznego), panel graficzny na ekranie monitora (symulujący płytę czołową) - obsługa przyrządu za pomocą „myszy”,
6780. C. Brak fizycznego przyrządu (sprzętu - poza PC), dane wejściowe pobierane z plików w pamięci masowej, bazy danych, innych komputerów lub generowane w sposób numeryczny, panel graficzny na ekranie monitora (symulujący płytę czołową), obsługa za pomocą „myszy”.

Ostatnia kategoria dotyczy raczej symulacji przyrządu, systemu lub procesu pomiarowego i jest niezwykle przydatna w dydaktyce. Charakteryzuje się dużą uniwersalnością, elastycznością oraz niskim kosztem opracowania. Wyjątkowo dobrze nadaje się jako uzupełnienie do nowoczesnych podręczników szkolnych i akademickich wydawanych w formie elektronicznej. Najbardziej korzystne aplikacje to tzw. aplety Javy dołączane do pliku przygotowanego w formacie HTML.

 

Cechy przyrządów wirtualnych

Istotne cechy przyrządów wirtualnych można ująć w trzech punktach:

1. powiększona funkcjonalność,
2. otwarta architektura,
3. łatwość w rozpowszechnianiu idei.

ad 1.

Powstają nieograniczone wręcz możliwości wzbogacania funkcji pomiarowych, algorytmów przetwarzania i analizy sygnałów oraz (a może przede wszystkim) prezentacji wyników pomiaru.

ad 2.

Otwarcie architektury przyrządów wygodnie jest zobrazować odwołując się ponownie do rys. 3.1, pokazującego częściową równoważność architektury mikrokomputera i inteligentnego przyrządu pomiarowego. Wynika z niego wyraźnie, że nowoczesny autonomiczny (inteligentny) przyrząd pomiarowy zawiera wiele elementów „komputerowych”. Niektóre specjalizowane moduły sprzętowe zaś, mogą być dostosowane do współpracy z magistralą komputera. Oznacza to, że znaczna grupa elementów sprzętowych i programowych, powielanych w przyrządach autonomicznych, może być zastąpiona standardowym komputerem. Oprogramowanie aplikacyjne, może być przechowywane w pamięci komputera. Nieograniczona liczba przyrządów wirtualnych może wykorzystywać tę samą platformę (komputer, monitor i mysz) do obsługi funkcji pomiarowych i prezentacji wyników. Kluczowym elementem decydującym o otwarciu architektury przyrządu wirtualnego jest nieograniczony wręcz dostęp do charakterystycznych modułów i funkcji komputera. Zalicza się do nich:

• Porty we/wy (I/O), odwzorowane na przestrzeń adresową komputera - szybkie zapisywanie rejestrów;
• Bezpośredni dostęp do pamięci (DMA), buforowanie - szybkie transfery danych;
• Przerwania sprzętowe i programowe (INT) z natychmiastową reakcją;
• Możliwość wyzwalania i taktowania sprzętowego;
• Możliwość wykrywania i generacji zdarzeń;
• Łatwość synchronizacji;
• Łatwość formatowania danych;
• Szybkie przetwarzanie danych (algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów);
• Wzbogacona prezentacja wyników: „bajkowy” wygląd płyty czołowej.

ad 3.

Łatwość w rozprzestrzenianiu idei wirtualnych przyrządów pomiarowych wynika z faktu, że znaczną część przyrządu stanowi oprogramowanie. Taka forma doskonale nadaje się do modyfikowania, unowocześniania, poprawiania i przesyłania za pośrednictwem Internetu. Ta cecha sprawiła, że technologia wirtualnych przyrządów pomiarowych wkroczyła do całego szeregu platform informatycznych. Należą do nich między innymi:

• Systemy operacyjne: DOS, Windows/XP/Win7/Win10, Linux, Unix, HP-UX, Mac OS,
• Procesory: Intel, SPARC i inne,
• Magistrale standardowe: ISA, PCI, PCMCIA,
• Magistrale modułowe: VME, VXI, PXI
• Interfejsy standardowe (porty): równoległy, RS232, RS422, RS423, RS485, USB
• Interfejsy pomiarowe: IEC-625, IEC-625.2,
• Interfejsy przemysłowe: Ethernet, CAN, Device Net, Fieldbus, PROFIBUS
• Języki programowania: Basic, Visual Basic, Basic.NET, HT Basic, C, C++, Visual C++.
• Zintegrowane pakiety oprogramowania narzędziowego, np:
  • PC Instruments, HP VEE (Hewlett-Packard[1]),
  • PCI (Siemens),
  • TestPoint (Keithley Instruments)
  • LabVIEW, LabWindows/CVI, Mesurement Studio (National Instruments).

Trendy rozwojowe przyrządów wirtualnych najlepiej zilustrować za pomocą wykresu pierwotnego zapotrzebowania na tzw. „digitizery”, tzn. wszelkiego typu urządzenia umożliwiające wprowadzanie sygnałów analogowych do komputera[2] (rys.3.4).

Rys. 3.4 Zapotrzebowanie na „digitizery” ogólnego przeznaczenia w latach 1986-1996

Tendencja ta występuje z jednoczesnym, wyraźnym spadkiem zapotrzebowania na specjalizowane przyrządy autonomiczne (w tym inteligentne przyrządy pomiarowe). Wytłumaczenie jest proste: komputer, „digitizer” oraz oprogramowanie narzędziowe dają potencjalną możliwość konstrukcji dowolnego przyrządu pomiarowego, a ich wykorzystanie wielokrotne znakomicie obniża koszt jednostkowy.