Podręcznik

Różne konfiguracje przyrządów wirtualnych powstają na bazie szeregu platform sprzętowych. Najważniejsze spośród nich to:

• Karty zbierania danych (DAQ) do współpracy z magistralą komputera (PCI) oraz modułami kondycjonowania sygnału;
• Systemy modułowe VXI, PXI;
• Autonomiczne przyrządy pomiarowe wyposażone w interfejsy pomiarowy IEC-625;
• Rozproszone układy typu Input/Output.

 

Konfiguracje z użyciem kart zbierania danych

Jak już wiadomo, genezę powstania kart zbierania danych (DAQ – Data Acquisition) określa umieszczenie układów „wzbogacających” komputer na jednej, wspólnej płycie, bezpośrednio współpracującej z magistralą komputera. Umożliwia to łatwą komunikację z procesorem oraz szybkie transfery danych, zwłaszcza po zastosowaniu przerwań i bezpośredniego dostępu do pamięci. Moduł DAQ, zawiera: przetworniki A/C i C/A, dodatkowe porty WE/WY oraz dodatkowe układy zegarowe - TIMER. Takie rozwiązanie umożliwia korzystanie wyłącznie z zasobów sprzętowych modułu, co znakomicie ułatwia realizację oprogramowania z użyciem sterowników firmowych.

Zdarza się, coraz rzadziej, że karty zbierania danych wymagają doprowadzenia do swoich wejść sygnałów elektrycznych o standaryzowanych poziomach. W związku z tym kompletny system powinien zawierać ponadto tzw. moduły standaryzacji, inaczej kondycjonowania sygnałów (rys. 3.5).

Moduły kondycjonowania sygnału umożliwiają:

• Wzmacnianie sygnałów (w dwu kierunkach),
• linearyzację charakterystyk czujników,
• izolację galwaniczną,
• filtrację sygnałów niepożądanych (w tym antyaliasingową),
• multipleksowanie.

Schemat blokowy konfiguracji sprzętowej wirtualnego przyrządu pomiarowego z DAQ zamieszczono na rys. 3.5. Jest to powtórzenie schematu prezentowanego już przy okazji opisu kart zbierania danych.

Rys. 3.5 Schemat blokowy konfiguracji wirtualnego przyrządu pomiarowego z DAQ

 

Konfiguracja z użyciem magistrali VXI (PXI)

Magistrala VXI (VXIbus: VME eXtensions for Instrumentation) - powstała w wyniku rozszerzenia możliwości magistrali komputera modułowego (VMEbus) o elementy umożliwiające obsługę modułowych przyrządów pomiarowych (modułów). Przykład konfiguracji przyrządu wirtualnego w standardzie VXI zamieszczono na rysunku 3.6.

Rys. 3.6 Przykład konfiguracji przyrządu wirtualnego w standardzie VXI.: RM - Resource Manager, DVM - woltomierz cyfrowy, GEN - generator, CPS - moduł/karta procesora sygnałowego, DAQ - moduł/karta zbierania danych, MUX – multiplekser

Przypominamy, że ostatnio, w wyniku rozwoju techniki komputerowej, powstało nowe rozwiązanie, wzorowane na VXI: system modułowy PXI. W systemie z magistralą PXI (PCI Extention for Instrumentation) do obsługi modułowych przyrządów pomiarowych wykorzystuje się standardową magistralę PCI (Periferal Component Interconnect) z komputera osobistego rozszerzoną o elementy ułatwiające obsługę modułów pomiarowych, podobnie jak w przypadku VXI. W rozwiązaniu tym funkcjonuje tzw. CompactPCI, która łączy specyfikację elektryczną PCI z mechaniką typu Eurocard. Szybkość transmisji danych w standardzie PXI wynosi 132MB/s i w tym zasadza się jego siła. Po opcjonalnym rozszerzeniu magistrali danych z 32 do 64 bitów można osiągnąć nawet 264MB/s. Współpracujące z magistralą PXI (umieszczone w kasecie) przyrządy modułowe, widziane są w przestrzeni adresowej urządzeń wejścia/wyjścia systemu komputerowego.

Z czasem, urządzenia stawały się coraz bardziej wymagające co do przepustowości. W rezultacie powstała magistrala PCI Express, aby przezwyciężyć ograniczenia w ramach wspólnej magistrali. W przeciwieństwie do PCI, która dzieli pasmo pomiędzy wszystkie urządzenia, magistrala PCI Express oferuje każdemu urządzeniu własny dedykowany kanał danych (tzw. pipeline). Dane są przesyłane szeregowo, w pakietach poprzez pary linii nadawania i odbioru zwane pasami, które umożliwiają uzyskanie szybkości 250 MB/s dla każdego pasa (PCI Express 1.0). Pasy mogą być grupowane (multiplikowane) x1, x2, x4, x8, x12, x16, aby zwiększyć przepustowość dla gniazda i osiągać do 4 GB/s całkowitej przepustowości. PCI Express 2.0 podwaja przepustowość per-pas z 250 do 500 MB/s. PCI Express zapewnia skalowalną przepustowość osiągając maksymalnie 30-krotną przepustowość tradycyjnej PCI.

 

Konfiguracja z użyciem interfejsu przyrządowego IEC-625

Sercem konfiguracji jest kontroler interfejsu - komputer wyposażony w kartę interfejsu IEC-625, z dołączonym oprogramowaniem. Współpracują z nim autonomiczne przyrządy pomiarowe wyposażone w interfejsy. Schemat blokowy konfiguracji IEC obrazuje rys. 3.7.

 

 

Rys.3.7 Konfiguracja przyrządu wirtualnego z interfejsem IEC-625

 

Parametry standardu są następujące:

• Szybkość przesyłania danych 1MB/s,
• Liczba przyrządów: 14,
• Długości kabli: 2m.

 

Konfiguracja z użyciem interfejsu szeregowego RS 232C oraz konfiguracje bezprzewodowe

Konfiguracja z interfejsem szeregowym, jest chyba najbardziej znana. Podstawowa, z punktu widzenia przeciętnego użytkownika, koncepcja konfiguracji opisującej asynchroniczną komunikację między komputerem (DTE), a przyrządem pomiarowym (DTE) nosi nazwę modemu zerowego bez sterowania transmisją. Hasło obejmuje pozostałe znane standardy jak: RS423A, RS422A, RS485. Do tej grupy, interfejsów przewodowych, należy również nowoczesny standard typu USB. Przykład konfiguracji wirtualnego przyrządu pomiarowego z interfejsem RS-485 zamieszczono na rys. 3.8.

 

 

 

 

Rys.3.8  Konfiguracja wirtualnego przyrządu pomiarowego z interfejsem RS-485

Na zakończenie tego rozdziału wypada wspomnieć o możliwości bezprzewodowego sterowania przyrządami pomiarowymi. Do tej grupy metod należy technika podczerwieni (standard IrDA) oraz coraz bardziej modna technika radiowa typu Bluetooth. Nietrudno przewidzieć możliwość ich wykorzystania również w laboratoriach naukowo-badawczych i dydaktycznych. Coraz głośniej mówi się też o aplikacjach standardu GSM. Bardziej szeroki opis tych metod znaleźć można w literaturze.

 

Uogólniona struktura wirtualnego przyrządu pomiarowego

W kontekście ostatnich rozważań warto pokusić się o stworzenie uogólnionej struktury wirtualnego przyrządu pomiarowego, łączącej wszystkie wymienione konfiguracje. Schemat blokowy takiej struktury zamieszczono na rysunku 3.9.

 

Rys. 3.9  Schemat uogólnionej struktury VI

Najbardziej modernistyczne rozwiązanie konfiguracyjne - to wirtualny przyrząd pomiarowy rozproszony w lokalnej sieci komputerowej Na rys. 3.10 zamieszczono schemat funkcjonalny takiego przyrządu. Rozproszeniu podlegają tu bloki funkcjonalne przyrządu; zbieranie danych, analiza danych i prezentacja wyników.

 

Rys.3.10  Rozproszony w sieci wirtualny przyrząd pomiarowy