Пашенцев Измерителный комплекс на основе персоналного компютера и измерителных модулей. Лабораторная работа 2009

В.Н. Пашенцев Ю.Н. Струков

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ

Лабораторная работа

Москва 2009

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

В.Н. Пашенцев Ю.Н. Струков

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ

Лабораторная работа

Москва 2009

УДК 621.317.75(076.5) ББК 31.221.043–54я7 П22

Пашенцев В.Н., Струков Ю.Н. Измерительный комплекс на основе

персонального компьютера и измерительных модулей: Лабораторная работа. –М.: МИФИ, 2009. – 48 с.

Приведена схема измерительной системы на основе персонального компьютера и устройств ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов в компьютер. В работе рассмотрены принципы работы и метрологические характеристики осциллографического и генераторного модулей, присоединяемых к компьютеру. Для проведения измерений дано описание пользовательского интерфейса и функциональных возможностей программного обеспечения. Лабораторная работа направлена на развитие практических навыков работы с измерительной системой и программным обеспечением для сбора, хранения и обработки данных. Работа по курсам “Основы метрологии и измерений”, “Основы метрологии, стандартизации и сертификации” и “Измерительные системы” предназначена для студентов 2–го и 3–го курсов факультетов “А”, “К”, “В”, аспирантов и инженеров физических специальностей.

Рецензент д–р физ.–мат. наук, проф.

Н.М. Гаврилов

Рекомендовано редсоветом к изданию в качестве учебного пособия

ISBN 978–5–7262–1099–5

Московский инженерно-физический

институт (государственный университет), 2009

	ОГЛАВЛЕНИЕ
I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ................................................................		4
1.	Измерительные системы.........................................................................	5
2.	Осциллографические модули.................................................................	9
3.	Генераторные модули...........................................................................	15
4.	Измерительный комплекс на основе измерительных модулей.........	18
5.	Платы ввода/вывода данных................................................................	32
II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ...............................................................		42
1.	Подготовка к лабораторной работе.....................................................	42
2.	Порядок выполнения работы...............................................................	42
3.	Оформление отчета...............................................................................	44
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................		45

3

Цель: приобретение навыков работы с измерительной системой на основе персонального компьютера и внешних измерительных модулей для определения параметров сигналов и записи данных в персональный компьютер.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Широкие возможности информационных технологий, интенсивное развитие компьютерной техники и программного обеспечения привело к более широкому внедрению автоматизированных измерительных систем в управление технологическими процессами и научные исследования. У персонального компьютера (ПК) кроме традиционных функций отображения, хранения и обработки информации появились новые функции – измерения внешних сигналов и управления различными устройствами [1]. Персональный компьютер, с внешними измерительными модулями или встроенной платой сбора данных, становится измерительной системой, заменяющей такие приборы, как осциллограф, мультиметр, генератор, частотомер, анализатор спектра, логический анализатор. Персональный компьютер, управляя процессом измерений, может собирать, хранить и обрабатывать полученные данные по заданной программе.

Другой частью измерительной системы являются модули, платы и цифровые измерительные приборы (мультиметры, осциллографы, генераторы), преобразующие аналоговые и цифровые сигналы от внешних устройств в цифровой формат данных для ввода их в компьютер. Такие модули выполняются на основе программируемых контроллеров или микропроцессоров. В зависимости от задачи измерений измерительные системы имеют различные функции. Самой простой функцией является сбор информации, более сложные измерительные системы обрабатывают данные и управляют внешними устройствами в реальном масштабе времени. Измерительные системы имеют ряд преимуществ по сравнению с цифровыми приборами (осциллографами, генераторами):

большой объем хранимой информации,

обработка данных программными средствами,

возможность сопряжения с другими измерительными системами,

передача данных на большие расстояния по сетям связи,

4

управление внешними устройствами на основе результатов измерения сигналов от этих устройств,

возможность простого изменения функциональных возможностей измерительной системы путем замены измерительных модулей или плат.

Если объект измерений находится на большом расстоянии от компьютера, и передача цифровых сигналов осуществляется радиосигналами через радиомодем, то такие системы называются телеметрическими.

Основными недостатками измерительной системы являются большие габаритные размеры и стационарное положение. На практике используются мобильные измерительные системы, созданные на основе переносного Notebook. Они совмещает в себе все преимущества переносного цифрового прибора и стационарной измерительной системы. Измерительные системы собирают из отдельных функциональных модулей, выбор которых зависит от решаемой задачи. Такая система является гибкой и легко перестраиваемой, так как к ней легко добавить новые модули для расширения ее возможностей.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Измерительная система – это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, персональных компьютеров и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки сигналов в разных целях. По расположению измерительных модулей относительно ПК измерительные системы делятся на внутренние и внешние. По виду связей модулей с ПК измерительные системы классифицируются на сетевые (рис.1.1) и магистральные (рис.1.2). В измерительной системе, построенной по сетевой схеме, измерительные модули являются внешними по отношению ПК. Они подключаются к стандартным портам компьютеров: USB, COM, LPT. Данные передаются по линиям связи с использованием стандартных интерфейсов USB, RS–232, Centronics, Ethernet. В измерительной системе, построенной по магистральной схеме (рис.1.2), измерительные платы расширения установлены внутри системного блока компьютера. Они подключаются к магистральной (системной) шине ISA, PCI или PCMCIA.

5

Рис.1.1. Сетевая схема связи измерительных модулей с ПК (ОИ – объект исследования, ПК – персональный компьютер)

Рис.1.2. Магистральная схема связи измерительных модулей с ПК

Измерительный модуль может быть установлен не только в слоты системной платы внутри системного блока, но и на свободное место, предназначенное для установки CD–ROM или дисковода 3,5”.

Такой встроенный модуль с входными разъемами на лицевой панели подключается к системной плате через USB–порт внутри системного блока. Структурная схема измерительной системы, присоединенной к объекту измерений, показана на рис.1.3.

Рис.1.3. Структурная схема измерительной системы

6

Объект измерений

Объектами измерений являются любые устройства, от которых должны быть получены данные, или устройства, которыми будут управлять от персонального компьютера. В зависимости от сложности объекта измерений в его состав могут входить датчики с аналоговым или цифровым выходами, а также устройства управления с цифровым или аналоговым входами. Объект измерения может содержать следующие устройства:

Д – датчики (первичные преобразователи) преобразуют физические величины в аналоговые электрические сигналы. К ним относятся датчики температуры, давления, магнитного поля и др;

ЦД – цифровые датчики (датчики с цифровым выходом) – преобразователи физических величин в цифровые сигналы. Они представляют собой аналоговый датчик, совмещенный с цифровым преобразователем, на выходе которого формируется цифровой код измеряемой величины. Такие цифровые датчики могут быть самостоятельными устройствами, имеющими стандартный интерфейс RS– 232, Centronics или USB для прямого подключения к ПК;

ЦР – цифровой регулятор с цифровым регистром на входе позволяет управлять объектом цифровым двоичным кодом. Например, если объект управления содержит шаговый двигатель, то направлением вращения и скоростью можно управлять программно от ПК путем изменения цифровых кодов на входе устройства управления двигателем;

АР – аналоговый регулятор служит для управления объектом измерений аналоговыми сигналами. К управляемым устройствам относятся: двигатели, клапаны, электромагниты, нагревательные элементы. Их силовая часть питается от сети переменного тока, но ими управляют аналоговыми сигналами плат или модулей, соединенных с компьютером.

Структурная схема измерительной системы

Измерительная система состоит из аналоговых и цифровых устройств. ВУ – входное устройство предназначено для первичного преобразования формы и амплитуды входных сигналов к заданному уровню, находящемуся в рабочем диапазоне АЦП. Входное устройство может содержать: аттенюаторы, усилители, компараторы (устройства сравнения), повторители напряжения, согласующие устройства, фильтры, преобразователи переменного напряжения в постоянное, коммутаторы,

схемы выборки и хранения.

7

АЦП – аналого–цифровой преобразователь служит для преобразования непрерывных аналоговых сигналов в дискретные выборки, получаемые через одинаковые временные интервалы.

ЦВ/В – цифровые устройства ввода/вывода служат для получения цифровых сигналов от объекта измерений и для управления объектами цифровыми кодами. Они содержат два цифровых регистра (8–12 бит) для ввода и вывода цифровых кодов.

Таймер – вырабатывает периодические сигналы образцовой частоты, которые задают тактовую частоту работы цифровых устройств модуля.

ЦУ – цифровые устройства для аппаратной обработки цифровых сигналов внутри измерительного модуля. К ним относятся умножители, быстрые преобразователи Фурье, цифровые фильтры.

ЦАП – цифро–аналоговый преобразователь. Служит для преобразования цифровых кодов в аналоговый сигнал. На основе ЦАП можно создать измерительные генераторы сигналов различной формы: синусоидальной, пилообразной и импульсов прямоугольной формы. С другой стороны, аналоговым сигналом можно также управлять любым объектом измерений.

ОЗУ – оперативно запоминающее устройство служит для записи данных, поступающих на входы измерительной системы. ОЗУ обычно является быстродействующим для работы в реальном масштабе времени. Быстродействие ОЗУ должно быть достаточным для записи сигналов с максимальной тактовой частотой выборки. Объем ОЗУ составляет от единиц до сотен килобайт.

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство служит для хранения информации, способствующей взаимодействию отдельных узлов измерительной системы. В ПЗУ записаны программы, обеспечивающие самодиагностику и функционирование отдельных узлов измерительной системы перед началом работы.

МП – микропроцессор служит для управления узлами измерительного модуля. Вместо микропроцессора может использоваться программируемый контроллер, в ПЗУ которого записан алгоритм работы модуля.

КП – канал передачи преобразует данные магистральной шины измерительного модуля к виду стандартного интерфейса персонального компьютера или к приборному интерфейсу КОП – канала общего пользования (другие названия интерфейса: IEEE–488, HP–488, GPIB). Канал передачи служит для подключения одного или нескольких измерительных приборов к персональному компьютеру. Для связи через измерительный интерфейс КОП в системном блоке ПК должна быть установлена плата расширения с входом КОП. Обычно измерительные

8

модули подключают непосредственно к компьютеру через стандартные входы: USB, RS–232, LPT, Ethernet.

Если измерительный модуль выполнен не в виде отдельного блока, а в виде платы расширения, то его устанавливают в слоты ISA или PCI системной платы ПК. Канал передачи обеспечивает прямую передачу данных и сигналов управления через адресное пространство компьютера. Измерительная система может иметь различные по функциональным возможностям модули: осциллографический, генераторный, анализатор спектра и др.

2. ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МОДУЛИ

Осциллографический модуль предназначен для отображения формы сигнала на мониторе компьютера и сохранения сигнала в памяти [2]. Модуль (рис.2.1) имеет два аналоговых входа (каналы А и В) и вход внешней синхронизации, совмещенный с выходом калибратора. Структурная схема модуля показана на рис.2.2.

Рис.2.1. Внешний вид передней и задней панели осциллографического модуля: 1 – вход канала A, 2 – вход канала B, 3 – вход синхронизации (выход калибратора), 4 – индикатор включения, 5 – клемма заземления, 6 – предохранитель, 7 – выключатель питания, 8 – разъём питания 6,5 В, 9 – разъём LPT–порта, 10 – разъём USB–порта

Рис.2.2. Структурная схема осциллографического модуля

9