Измерительные информационные системы

Решение проблемы измерения множества величин, характеризующих состояние объекта, привело к созданию измерительных систем, представляющих собой совокупность функционально объединенных и электрически скоммутированных средств измерений и вспомогательных устройств для выработки информационных сигналов в форме, удобной для обработки, передачи и использования в управлении. Таким образом, отличительными особенностями измерительной системы служат многоканальность, дающая возможность одновременного измерения множества величин, а также унификация выходных сигналов, г. е. их представление в виде, удобном для последующей обработки и использования получателем.

Совершенствование электроизмерительных приборов, их оснащение средствами управления процессами измерения через стандартный внешний интерфейс стали основой создания информационно-измерительных систем (ИИС) на базе объединения ряда промышленных приборов, подключенных к ЦВМ, которая обрабатывает полученные данные. Наряду с измерительными приборами, ЦВМ и связывающими их магистралями в состав ИИС входят разнообразные вспомогательные устройства (таймеры, мультиплексоры, счетчики, согласующие элементы), позволяющие вводить ИИС непосредственно в контур автоматического управления для работы в реальном масштабе времени (онлайн).

Минимальная структура ИИС, предназначенная для регистрация совокупности характеризующих объект величин х_х(t), x₂(t), …, x"(t), содержит основные функциональные блоки, преобразующие сигналы (рис. 21.13).

Измеряемые величины воздействуют на чувствительные элементы размещенных в разных точках объекта датчиков (Д₁₍…, Д"), на выходах которых образуются электрические сигналы и (х, ?i), …, и_п(х", зависящие от измеряемых величин x_t(t),…, x"(t) и помех …, q," z_n(t), z_K(t). Выходные сигналы датчиков подвергаются нормированию аналоговыми преобразователями (АП1,…, АП") и поступают на входы АЦП непосредственно или через коммутатор-мультиплексор (Км). Последующая обработка информационных сигналов осуществляется численными методами. Встроенный в ИИС микроконтроллер выполняет цифровую обработку посту;

Рис. 21.13. Типовая конфигурация ИИС.

лающих данных, тестирование преобразователей, а также управление проведением эксперимента с использованием ЦАП. Передача числовых данных между блоками осуществляются через общую магистраль, к которой они подключены с помощью интерфейсных устройств ввода-вывода (УВВ). Снижение уровня мощных помех, т. е. доступных для измерения внешних воздействий z_K(?), может достигаться посредством применения известных методов компенсации с использованием специальных измерительных каналов (Д₀, АП₀,…).

Разработка и производство функционально завершенных многоканальных устройств сбора данных (УСД) привели к созданию измерительных приборов на базе персональных компьютеров (ПК), к которым с использованием типовых интерфейсных средств подключаются УСД.

Использование стационарных ЦВМ для объединения нескольких цифровых измерительных приборов в комплексы с целью обработки результатов и вычисления взаимных характеристик сигналов началось с момента промышленного выпуска цифровых приборов. Были разработаны стандарты, регламентирующие уровни сигналов и протоколы обмена данными (IEEE 488 или GPIB), а также созданы типовые аппаратные средства. Современные высокопроизводительные ПК позволяют реализовать весьма сложные алгоритмы обработки данных. Наличие иерархической памяти разного уровня, емкости и быстродействия, выполненной на элементной базе интегральных и дисковых накопителей, позволяет регистрировать как весьма быстрые, так и длительные реализации процессов. Отображение информации на экране дисплея и возможность оперативного управления с помощью клавиатуры или мыши предоставляют оператору широкие возможности корректировки процедур измерения и обработки результатов.

В простейшем варианте УСД представляет собой размещенные на одной плате масштабирующие усилители, с помощью коммутатора (Комм) подключенные к АЦП, схему управления, содержащую цифровое вычислительное ЦВУ и запоминающие ЗУ устройства, а также ЦАП и выходной блок интерфейса (рис. 21.14).

В последнее время ряд фирм-производителей выпускают различные модификации многофункциональных УСД с широким набором элементов. Для нормирования непрерывных сигналов в состав УСД входят инструментальные усилители с электрически управляемыми коэффициентами передачи и аналоговые фильтры, ограничивающие спектр входного сигнала. Согласование параметров выходных цифровых сигналов с линиями связи и входными устройствами компьютера осуществляют с помощью буферных регистров и выходных логических элементов, имеющих достаточный уровень выходной мощности.

В различных типах УСД наряду с приведенными основными узлами присутствует совокупность аналоговых и цифровых устройств, обеспечивающих ряд необходимых операций обработки сигналов и организации процедур преобразования и передачи данных. Цифровое устройство управления (ЦУУ) содержит счетчики, регистры, таймеры, дешифраторы и формирователи импульсов для реализации обменных процессов, а также ЗУ временного хранения при передаче данных. Внутреннее ЦУУ может быть реализовано в виде отдельных блоков (аппаратное управление), а также с использованием программируемой логической интегральной схемы или микропроцессора. В последнем случае возможны предварительная фильтрация и обработка данных, передаваемых в компьютер.

Назначение измерительной системы на базе ПК, оснащенного устройством сбора данных, а также выполняемые функции определяются составом элементов УСД и реализуются с помощью программного обеспечения (ПО). Нижний уровень ПО, поставляемый.

Рис. 21.14. Структурная схема устройства сбора данных совместно с УСД, предназначен для управления работой устройств УСД и описания цифровых данных. Конструирование структуры измерительного прибора для конкретных задач исследования осуществляет пользователь, которому доступны все существующие программные средства.

В операционной системе, установленной на компьютере, пользователь программирует алгоритм функционирования создаваемого прибора и конструирует на экране органы управления с помощью графических редакторов. Обычно на экране дисплея отображается передняя панель разрабатываемого прибора с соответствующими кнопками и ручками управления.

Одним из распространенных программных средств создания ПО для экспериментальных исследований является среда Lab VIEW, использующая метод структурно-графического программирования. При этом на экране дисплея можно открыть две панели (рис. 21.15).

На одной панели размещаются выбранные из библиотек функциональные блоки, из которых создается структурная схема прибора. Вторая предназначена для одновременного конструирования панели управления прибора. Созданная программным способом архитектура сохраняется в ПЗУ, и в дальнейшем управление прибором осуществляется с использованием изображения его управляющих органов на экране дисплея. Соответствующие приборы, объединяющие измерительные средства сбора информации с программно-аппаратными вычислительными средствами компьютера общего назначения, получили название виртуальных измерительных приборов, которые в настоящее время представляют собой подключение УСД к последовательному порту компьютера, преимущественно с использованием интерфейса USB. Это дает возможность подключения к любому типу ПК, оснащенного интерфейсом USB, а также создания измерительной системы с несколькими УСД при наличии необходимого числа разъемов USB.

Рис. 21.15. Изображение на экране структуры прибора в среде Lab VIEW.

В приведенных типовых структурах ИИС нашли отражение лишь основные функциональные блоки измерения и обработки информационных сигналов, а также связи между ними. Реальная ИИС содержит множество вспомогательных устройств, обеспечивающих требуемые режимы работы функциональных блоков (например, источники вторичного электропитания, коммутационную аппаратуру, устройства автоматического контроля и подстройки параметров преобразователей).