КАТЕГОРИИ: АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

ВИРТУАЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО- ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 24Следующая ⇒ 9.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Понятие «виртуальные приборы» (Virtual Instruments) появи­лось на стыке измерительной, информационной и компьютерной техники. Виртуальный информационно-измерительный прибор или система — это компьютер, оснащенный набором аппаратных и программных средств, выполняющий функции информационно- измерительного прибора или системы, максимально приближен­ный к решению задачи. В научных исследованиях, диагностичес­ких, статистических и интеллектуальных системах компьютеры ис­пользуются для решения задач управления измерительными экс­периментами, сбора, регистрации, обработки и систематизации данных, представления и хранения результатов наблюдений. При этом часть функций и операций осуществляется не аппаратно, а программно с помощью персонального компьютера. Аппаратная информационно-измерительная часть приборов и систем реали­зуется в конструктиве стандартной платы и автономного модуля компьютера. Функции, передаваемые компьютеру, обычно связа­ны с организацией взаимодействия пользователя и компьютера с привычной для пользователя атрибутикой — панели, ручки уп­равления, т.е. в этом случае работа с виртуальными приборами (ВП) оказывается аналогичной работе с традиционными прибо­рами и пультами управления. Информационные технологии вывели измерительную технику на новый уровень, позволяющий быстрее и с меньшими затрата­ми разрабатывать информационно-измерительные приборы и си­стемы различной сложности: от измерения параметров до ввода и обработки видеоизображений с передачей результатов через внеш­нюю сеть на любые расстояния. Появление измерительных ин­формационных приборов и систем с применением виртуальных технологий связано: • с широким распространением персональных компьютеров, имеющих высокое быстродействие, большие объемы памяти, прак­тически неограниченные графические возможности, позволяющие создать функционирующие в реальном масштабе времени вирту­альные измерительные устройства, с высокой степенью подобия, воспроизводящие поведение тех или иных физических приборов и систем; • созданием автоматизированных информационно-измеритель­ных систем различного назначения, таких как автоматизирован­ные системы научных исследований (АСНИ) и комплексных ис­пытаний (КИ), физические и космические объекты и др.; • возможностью реализации в весьма компактной форме при­боров и модулей; • появлением измерительного программирования (ИП), под которым понимается программирование для информационно-из­мерительной техники и систем, позволяющее ей проводить изме­рение, контроль, диагностирование или распознавание образов, включая функции сбора, передачи, обработки, представления измерительной информации и управления измерительным экспе­риментом. 9.2. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ И ТЕСТИРОВАНИЯ Функциональные возможности хорошо знакомых традицион­ных измерительных приборов заданы их производителем, и изме­нить число каналов достаточно проблематично. А так как никакой производитель не в состоянии охватить все многообразие реаль­ных задач, это в значительной степени затрудняет подбор опти­мального комплекта оборудования с требуемыми параметрами и его настройку. Виртуальный прибор снимает это ограничение. Ос­новой стали открытые, а значит, доступные всем разработчикам и производителям стандарты на универсальное оборудование, что позволяет выбирать лучшие из существующих на рынке решений и компоновать из них специализированные системы. Виртуальный прибор (ВП) представляет собой комбинацию ком­пьютера, универсальных аппаратных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения (ПО), которое, собственно, и определяет конфигурацию и функционирование за­конченной системы. По сути, в руках создателя системы — конст­руктор, из которого даже не искушенный в компьютерных техноло­гиях инженер или исследователь может построить измерительный прибор любой сложности. В этом случае, скорее, требования задачи и соответствующее этому ПО, а не возможности прибора определя­ют функциональные характеристики законченного прибора. На рис. 9.1 приведена панель виртуального хронопотенциогра- фа, с помощью которого можно осуществлять все процедуры и измерения, описанные ниже. Специалистами РКК «Энергия» (Е.В. Диденко) созданы и пред­лагаются к реализации готовые виртуальные приборы: самопи­сец, анализатор спектра, эквалайзер, генератор. I-DM iвиртуальный потенциометр"   [-КЛЮЧЕВЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ [B]-   ТОК ОСАЖДЕНИЯ [мА] т ТОК РАСТВОРЕНИЯ (мА] ш Гз----- НАЧАЛО ( * \ \ т' |0,237 НАЧАЛО РАСТВОРЕНИЯ ( \ ХИМ.ЭЛЕМЕНТА^ ) осаждения ( ) 1-0,263 КОНЕЦ РАСТВОРЕНИЯ ХИМ. ЭЛЕМЕНТА 10,237 щ КОНЕЦ РАСТВОРЕНИЯ ХИМ. ЭЛЕМЕНТА т -0,263   ВРЕМЯ РАСТВОРЕНИЯ ХИМ. ЭЛЕМЕНТА [см] (1861 | РЕЗУЛЬТАТ АНАЛИЗА СОДЕРЖАНИЕ ХИМ. ЭЛЕМЕНТА В ВОДЕ [мг/л] (0,211501 | -ВРЕМЕННАЯ ДИАГРАММА------------------     Э-Х ХАРАКТЕРИСТИКА старт стоп СПРАВКА     Рис. 9.1. Лицевая панель виртуального хронопотенциографа       2,50 0,30 2,50 0,30 2,50 0,30 канал 0 • 10' тек: 5.08985е+00 марк: 1.00000е+01 управление   A/WWVWW1 ч ключ ►   маркер   фрагмент   канал 1 • 10[3] тек: 6.00000е+00 марк: 1.i5000e+01 текущие     метка | 84,7802 |   точка     1 1544 1   канал 2 • 101 тек: 7.6i876e+00 марк: 5.00000е+00 маркер       метка   | 0,0000 |   точка   1 I 1   канал 3 • 10' тек: 8.25908е+00 марк: 1.20000е+01 разность   2,50 0,30 ЛММММлЛ   метка   | 84,7802 |   точка     1 1544 |   «1 1 1 UI   просмотр Ифрагментация данных самописца

ВЫБОР ОСИ X

ВЫБОР ОСИ Y

МАССИВ

FI ПОМОЩЬ F7 ФИКСИРОВАННЫЕ ОСИ F0 СБРОС ЛУПЫ F10 ВЫХОД

Рис. 9.3. Лицевая панель анализатора спектра

каталог

выбор оси x

| выбор оси y |

[ ред. комментариев]

| удалить массив ~|

диалоги и комментарии

размерностьчастоты, гц а мах в диап, частот

П~||0.0' i

а мах № гар. частота

Самописец. Программируемое число дорожек, калибровка по физическим параметрам, т. е. вывод данных на самописец произ­водится в той размерности, которая удобна пользователю, воз можность включения-выключения записи на магнитный носитель. Сервис режима (рис. 9.2) позволяет осуществлять просмотр и фраг ментацию данных с записью фрагментов в файл или картотеку лаборатории.

Анализатор спектра. Анализатор спектра имеет число гармо­ник 2 ... 1024. Он позволяет получить амплитуды и фазы гармоник, а также коэффициенты Фурье разложения входного сигнала. По­лученные данные могут быть использованы для гармонической аппроксимации этого сигнала (рис. 9.3).

Эквалайзер. Число управляемых гармоник спектра 2... 128. Пользователь может произвести подавление или усиление любой гармоники или поддиапазона гармоник спектра исходного сигна­ла. Результат коррекции немедленно отображается в виде графика результирующего сигнала (рис. 9.4). Такая обратная связь позволя­ет легко добиваться необходимого качества обработки входных дан­ных.

Генератор. Программируемая форма, амплитуда и частота вы­ходного сигнала зависят от выбора аппаратных средств. Возможна генерация пакетов непериодических форм, например, запись в картотеку массивов реального сигнала, снятого на объекте, и вос-

произведение его на стенде в лабораторных условиях. На рис. 9.5 приведен генератор стандартных и произвольных форм сигналов.

9.3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Типовая архитектура ПО ИИС, которая отражает современное представление об измерительном программировании, имеет обыч­но три уровня: уровень метасистемы, системный уровень, уровень рабочих процедур. На метасистемном уровне проводится настройка измерительного программного обеспечения (ИПО) в соответствии с различными факторами: требованиями пользователей двух ниж­них уровней, аппаратного обеспечения, прикладной области и т.д.

Системный уровень предоставляет возможность на базе инфор­мации предыдущего уровня создать измерительную процедуру и снабдить ее интерфейсом пользователя в виде виртуальной при­борной панели и необходимыми данными о параметрах использу­емых средств и методик измерений, а также драйверами связи с аппаратными исполнителями измерительной процедуры и фор­матами представления результатов измерений в виде твердой ко­пии или в формате, совместимом с принятым в базе данных. Ниж­ний уровень отражает выполнение в реальном масштабе времени сформированной на верхних уровнях рабочей процедуры. Основ­ные особенности, характеризующие новые направления ИП в срав­нении с традиционными, приведены в табл. 9.1.

Замена текстового представления графическим делает представ­ление измерительных данных и процедур более наглядным, не создает языкового барьера, рисунок выражает смысл информа­ции в более компактных единицах, например, графическое про-

граммное обеспечение LabVIEW фирмы National Instruments (США).

Пакет LabVIEW — графическая альтернатива обычному про­граммированию — предназначен для создания измерительных си­стем и представляет собой программные средства, которые тре­буются при работе в области мониторинга, испытаний и изме­рений. С помощью LabVIEW можно создавать графические про­граммы — виртуальные приборы, вместо написания традицион­ных программ.

Программы в LabVIEW именуются виртуальными приборами, так как способ общения с ними напоминает реальные приборы. Виртуальные приборы играют ту же роль, что и функции в обыч­ных языках программирования, и представляют собой совокуп­ность следующих элементов:

• интерактивного интерфейса с пользователем, называемого лицевой панелью, содержащей органы управления и индикато­ры, которые управляются с помощью мыши или клавиатуры;

• блок-схемы, конструируемой на графическом языке и явля­ющейся исходным кодом для ВП;

• условного графического символа (пиктограммы), обознача­ющего ВП, и интерфейса с другими ВП (соединителя), который выполняет ту же роль, что и список параметров функции или программы в обычных языках программирования.

Программирование управляемым потоком данных находит все большее применение в измерительном графическом программи­ровании (LabVIEW). Программирование, управляемое потоком дан­ных, позволяет избавиться от линейной архитектуры языков, ос­нованных на тексте. Так как порядок выполнения программы в этом случае определяется потоком данных между узлами, а не последовательными строками текста, можно создавать програм­мы, которые имеют многократные маршруты данных и одновре­менно выполнимые операции. Независимые маршруты данных осу­ществляются параллельно. В обычном языке программирования организация параллельных операций требует наличия механиз­мов, поддерживающих так называемые семафоры, мониторы или рандеву. Параллельные процессы при управлении потоком дан­ных не связаны с дополнительными затратами.

Объектно-ориентированная технология означает построение про­граммы как набора взаимодействующих и независимых объектов (классов), представленных экземплярами абстрактных типов данных и обрабатывающих информацию посредством передачи сообщений друг другу. Объединяя в единое целое данные и процедуры, классы позволяют унифицировать обращение к различным типам данных.

Одни классы могут наследовать структуру одного или более других классов, называемых суперклассами; подклассы определя­ют наследуемую от классов спецификацию более подробно. На­следование дает возможность, используя уже созданные объекты, расширять свойства старых объектов путем изменения внутренних методов. Так как объекты взаимодействуют в программе между собой с помощью некоторого набора сообщений, изменение внут­ренних качеств и сохранение прежнего стиля позволяют легко модифицировать имеющиеся наработки под новые запросы. На­следование в сочетании с применением виртуальных функций дает возможность использовать такое свойство, как полиморфизм, — однотипное обращение с различными типами данных и функций. Еще одно свойство объектно-ориентированной технологии — ин­капсуляция (защита внутренних переменных и методов объекта от взаимодействий внешних факторов) дает общее повышение на­дежности работы и снижение вероятности случайного сбоя ПО.

Недавно на пути развития технологии программирования при­боров появилась новая многообещающая идея. Она называется IVI (Interchangeable Virtual Instruments) — взаимозаменяемые вирту­альные инструменты. Основная идея такова. Все приборы одного класса имеют большую, общую для всех приборов группу функ­ций. Например, все цифровые мультиметры (DMM) измеряют постоянное и переменное напряжение, сопротивление, а также выполняют другие функции. Если эти функции выделить в IVI Class Driver для класса DMM Class, то часть программы, отвеча­ющая за управление цифровыми мультиметрами, не будет зави­сеть от конкретного прибора и его драйвера. Следует отметить высокое качество и надежность приборных драйверов VXI plug & play, что не связано с концепцией классов драйверов IVI Class Driver, а реализуется другими средствами.

Современные программные системы немыслимы без удален­ного доступа. Трудно себе представить ответственную систему, не имеющую в конечном счете выхода в Интернет. В табл. 9.2 схема­тично показаны этапы и перспективы развития мировых средств измерения и тестирования.

В настоящее время развивается направление по разработке вир­туальных измерительных систем, широко использующих возмож­ности современных компьютеров, компьютерной графики, перс­пективных методов и средств измерений, цифровой обработки информации и эффективных «plug & play» мультимедиа-техноло­гий при создании программного и технологического обеспечения. Основные области применения таких систем следующие:

• экспериментальные научные измерения и исследования ре­ализуются в виде универсальных (функционально ориентирован­ных) приборов в виртуальном исполнении (осциллографы, ана­лизаторы, генераторы, синтезаторы сигналов, мультиметры, вольт­метры, частотомеры, мультиплексоры и др.) и специальных (про­блемно-ориентированных) систем, применяемых в спектроско­пии, акусто- и сверхпроводниковой электронике, в поляризован-

Таблица 9.2