Автоматизация измерений

В области автоматизации измерений принято использовать следующие термины:
измерительная система (ИС),
информационно-измерительная система (ИИС),
измерительно-вычислительный комплекс (ИВК).
В некоторых областях техники используют также термины:
система автоматического контроля и диагностики,
система распознавания образов.

Толкования этих понятий в технической литературе несколько различаются, но суть дела определяет термин:
Измерительная система – совокупность мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, компьютеров, и других технических средств, объединенных каналами связи с целью получения, хранения и представления измерительной информации, а также формирования управляющих сигналов различного назначения.
Для объединения средств измерений и программного управления их работой в составе ИС, ИИС и ИВК используют стандартизованные интерфейсы.

Термин «интерфейс» применительно к проблеме автоматизации измерений можно определить так:
стыкующая часть (плата, блок), расположенная между средствами измерений и/или управляющим компьютером, через которую происходит обмен информацией.
В англоязычной литературе, да и у нас стандартизованные интерфейсы часто называют «шинами» (Bus).

Для стандартизованного интерфейса должны быть определены:
механические требования:
- тип используемых разъемов,
- допустимая длина кабеля и т. п.,
электрические требования:
- уровень сигналов,
-тип логики и т.п.,
информационные требования:
- вид кода,
- протоколы обмена информацией и т.п.

Сейчас в измерительной технике еще используют стандартизованные интерфейсы, разработанные несколько десятков лет назад для телекоммуникационных устройств, в частности, интерфейсы RS232, RS485 и др.
Многие измерительные приборы выпуска 80…90-х годов имеют соответствующие разъемы, допускающие их подключение к последовательному порту компьютеров.
Но в новых разработках эти интерфейсы используют редко.

Широкое распространение в измерительной технике получил последовательно-параллельный интерфейс
IEC (МЭК) 625.1, стандартизованный Международной электротехнической комиссией .
Он известен также под названиями:
НР–IВ - исходная разработка фирмы Хьюлет-Паккард,
IEEE-488 - стандарт института инженеров США,
GPIB (General Purpose Interface Bus) - в документации различных фирм,
КОП (Канал Общего Пользования), стандартизованный ГОСТ 26.003-80 (сейчас его практически не используют).

Практически все современные измерительные приборы имеют на задней панели стандартный разъем интерфейса МЭК 625.1 (GPIB

К этому разьему с помощью кабеля можно подключать несколько других приборов, навешивая двухсторонние разъемы непосредственно друг а друга.
Другой конец этого кабеля подключают к управляющему компьютеру, в слот расширения которого должна быть установлена специальная плата этого интерфейса.

Относительно недавно появился «гибрид» интерфейсов GPIB и USB, позволяющий подключать измерительные приборы непосредственно к компьютеру обычной комплектации - без интерфейсной платы GPIB.
Соединение приборов между собой кабелем интерфейса МЭК 625.1 и кабелем- переходником с портом USB управляющего компьютера.
При большом числе подключаемых приборов можно использовать USB хаб.

Кабель-переходник нтерфейсов GPIB и USB

Объединяемые интерфейсом МЭК технические средства подразделяют на:
контроллеры (К), например, компьютер,
приборы-приемники (ПП), например, генератор измерительных сигналов, который может только принимать команды от контроллера;
приборы-источники (ПИ), например, цифровой вольтметр, который может посылать результаты измерений контроллеру.

Кабель интерфейса МЭК 625.1 состоит из 16 линий, сгруппированных в три шины:
общего управления (5 линий),
согласования передачи - синхронизации (3 линии),
информационную (8 линий) – для передачи либо адресов приборов и команд управления ими, либо результатов измерений.

Интерфейс МЭК 625.1 использует:
отрицательную ТТЛ логику (логической единице соответствует низкий уровень),
побайтную передачу кодом ASCII.
Семь символов кода - информационные, а восьмой используют для проверки на четность. Это позволяет обнаружить единичную ошибку в пределах одного байта.
В простом варианте интерфейса максимальное число объединяемых приборов не должно превышать 15, а максимальная длина кабеля магистрали – 20 м.

Сейчас многие фирмы уже отказываются от интерфейса МЭК 625.1 и выпускают средства измерений (аналоговые преобразователи, АЦП, измерительные генераторы, осциллографы и т.п.) в виде компактных модулей, подключаемых к компьютеру непосредственно через интерфейс USB. Эти модули можно использовать отдельно или устанавливать в специальные стандартизованные «корзины» (PXI, VXI и др.)

Измерительные модули фирмы Agilent Technologies

Управление такими приборами и отображение измерительной информации осуществляется через графический интерфейс пользователя на мониторе компьютера.
Соответствующие программные средства для всех используемых операционных систем входят в комплект поставки такого модуля. Это существенно упростило и удешевило создание простых измерительных систем.

Кроме того, многие современные средства измерений имеют встроенные интерфейсы локальной вычислительной сети (ЛВС – LAN) и беспроводных сетей.
Это позволяет создавать распределенные измерительные системы в масштабах здания или предприятия, а также обеспечить доступ к удаленным средствам измерения по сети Интернет.
Вместе с приборами фирмы поставляют библиотеки драйверов и программ обработки и представления получаемых данных.

Создание программного обеспечения автоматизированных измерительных систем существенно упростилось, когда фирмы National Instruments и Agilent Technologies разработали и выпустили на рынок принципиально новые системы разработки программного обеспечения измерительных систем – LabVIEW и VEE.

Эти системы позволяют создавать так называемые виртуальные приборами (ВП, VI – virtual instruments), внешний вид которых и выполняемые ими функции схожи с внешним видом и функциями реальных приборов - осциллографов, мультиметров, анализаторов спектра и т.п.

Лицевая панель виртуального осциллографа

Написание программы в LabVIEW и VEE начинается с создания интерфейса пользователя - так называемой «лицевой панели» ВП Она может содержать, в частности:
элементы управления - ручки, кнопки, переключатели и т.п.

«устройства» вывода информации - светодиоды, аналоговые шкалы, цифровые отсчетные устройства, графические экраны и т.п.

Блоки помещенных на «лицевой панели» элементов отображаются на так называемой «блок – диаграмме».

Лицевая панель этого простого ВП

Лицевая панель виртуальной измерительной установки

Блок-схема виртуальной измерительной установки

Лаб раб №1. Исследование погрешностей аналогового прибора
Лицевая панель

Блок-схема