ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra výkonových elektrotechnických systémov DIPLOMOVÁ PRÁCA Návrh meraní s využitím programu Labview 2006 Marek Strojvus
Diplomová práca Priezvisko a meno: Marek Strojvus Rok: 2006 Názov diplomovej práce: Návrh meraní s využitím programu Labview Fakulta: Elektrotechnická Katedra: Katedra výkonových elektrotechnických systémov Počet strán: 55 Počet obrázkov: 51 Počet tabuliek: 1 Počet príloh: 9 Počet použitej literatúry: 5 Anotácia: Táto diplomová práca sa zaoberá programovým prostredím LabVIEW, DAQ systémami, návrhom a realizáciou meraní s využitím multifunkčnej karty. Práca objasňuje problematiku DAQ systémov a možné meracie aplikácie s týmito systémami. Vzhľadom na použitie multifunkčnej meracej karty poukazuje aj na výhody virtuálnej inštrumentácie a jej perspektívu do budúcnosti. Annotation: This diploma work deals with LabVIEW software tool, DAQ systems, design and realization of measurements with use of multifunction plug-in boards. Basics of DAQ systems and various measurement applications are described in this project. Due to use of multifunction plug-in boards, this project also shows advantages of virtual instrumentation and its perspective related to future. Kľúčové slová: DAQ systémy, virtuálny prístroj, multifunkčná zásuvná karta Vedúci diplomovej práce: Doc. Ing. Jiří Drábek, PhD. Recenzent: Dátum: 05.05.2006
Zoznam použitých symbolov a skratiek 2D - dvojdimenzionálne 3D - trojdimenzionálne A/D - analog/digital (analógovo-digitálny) AC - alternate current (striedavý prúd) API - Application Programming Interface (programovateľné aplikačné rozhranie ) ASM - asynchrónny motor Ch - channel (kanál) DAQ - Data Acquisition systems (Technické a programové prostriedky systémov zberu a spracovania dát) DAQ tradičné - DAQ VI od firmy Legacy DAQmx - DAQ VI novšieho softvéru programu Labview DC - direct current (jednosmerný prúd) DMA - Direct memory access (priamy prístup k pamäti) GPIB - General Purpose Instrumentation Bus (rozhranie pre PC riadené meracie systémy) HW - Hardware (hardvér) IVI Dmm - ovládače meracieho prístroja pre spoluprácu s programom Labview ISA - Industry Standard Architecture (zbernicový štandard) LAN - Local Area Netvwork (lokálna sieť) MAX - Measurement & Automation (aplikácia v Labview pre meranie a automatizáciu) max - maximum min - minimum MO - magnetický obvod MP - merací prístroj NI - National Instruments PC - Personal Computer (osobný počítač) PCI - Peripheral Component Interconnect (pripojenie periférnych zariadení) PIB - Plug in Boards (zásuvné dosky do počítača) PLC - programmable logic controller (programovateľný logický automat) PXI - PCI extensions for Instrumentation (nadstavba PCI pre inštrumentáciu)
RS 232 - standard for serial data interconnection (štandard sériového dátového prepojenia) SCXI - Signal Conditioning extension for Instrumentation (nadstavba na predspracovanie a úpravu signálov) SW - Software (softvér) USB - Universal Serial Bus (univerzálna sériová zbernica) VI - Virtual instrument (virtuálny prístroj, virtuálny inštrument) VXI - VME extensions for Instrumentation (nadstavba VME zbernice pre inštrumentáciu) A [m 2 ] - plocha priečneho rezu magnetického jadra B [T] - magnetická indukcia H [Am -1 ] - intenzita magnetického toku I [A] - prúd In [A] - menovitý prúd ki [-] - konštanta prevodu prúdu km [-] - konštanta prevodu momentu ku [-] - konštanta prevodu napätia kω [-] - konštanta prevodu otáčok l [m] - stredná dĺžka Mn [Nm] - menovitý moment N [-] - počet závitov Pn [W] - menovitý výkon R [ Ω ] - odpor cosφ [-] - účinník ωn [ot./min] - menovité otáčky µ [WbA -1 m -1 ] - permeabilita materiálu µ 0 [WbA -1 m -1 ] - premeabilita vzduchu µ r [WbA -1 m -1 ] - permeabilita jadra. Ø [Wb] - magnetický tok
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra výkonových elektrotechnických systémov DIPLOMOVÁ PRÁCA Textová časť 2006 Marek Strojvus
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.1 1. ÚVOD Virtuálna slovo, ktoré sa vďaka nástupu nových technológii spojených s rýchlym rozvojom výpočtovej techniky objavuje v našom slovníku stále viac a viac. Dnes sa máme možnosť stretnúť sa s virtuálnou realitou všade okolo nás, či už ako súčasť zábavy (film, počítačové hry), alebo ako prostriedok umožňujúci uľahčenie zvládnutia zložitých situácií v určitých odvetviach ľudskej činnosti (nácvik zložitých operácií na virtuálnom modeli ľudského tela, simulátoroch pre výcvik pilotov v letectve ). Ďalším príkladom je ponuka tovaru vo virtuálnych obchodných domoch na Internete. Tento projekt sa zaoberá ďalšou oblasťou spojenou so slovom virtuálna a s nástupom nových technológii, tento krát však v spojení s problematikou merania a meracej techniky. Touto oblasťou je virtuálna inštrumentácia a konkrétne program LabVIEW od spoločnosti National Instruments. Základným zámerom vývojových pracovníkov firmy National Instruments bolo vyvinúť program podobnej efektivity, pružnosti pre inžinierov ako tabuľkový procesor pre finančného manažéra. Myšlienka, na ktorej stojí efektivita vývojového prostredia LabVIEW je jednoduchá a vznikla pôvodne na pôde Texaskej univerzite v skupinke nadšencov okolo otca tohto systému Jeffa Kodovského. Vychádza sa tu z poznatku, že ten, kto vie, čo merať, ako analyzovať a ako prezentovať dáta, je technik, ktorý nemusí byť sám skúseným programátorom. Svoje predstavy teda predáva programátorovi obvykle v podobe blokových schém. Programátor túto schému potom prevádza do syntaxu zvoleného programovacieho jazyka, čo je činnosť pomerne zdĺhavá a náročná na presnosť a neprináša už do procesu merania obvykle žiadne nové informácie. Cieľom vývojového prostredia LabVIEW je to, aby bloková schéma bola koncovým tvorom aplikácie, ktorá sa nebude už ďalej nebude prevádzať do textovej podoby. LabVIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench) je klasickým vývojovým prostredím s bohatými knižnicami pre vytváranie aplikácii zameraných na oblasť merania vo všetkých fázach tohto procesu t.j. zberu, analýzy a prezentácie nameraných dát.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.2 2. ZÁKLADNÉ POZNATKY O MERACEJ TECHNIKE 2.1 Vývoj meracej techniky Tak ako iní na trhu aj výrobcovia meracej techniky sa v tržnom hospodárstve riadia rovnakými pravidlami, a to je snaha maximalizovať svoj zisk. To sa samozrejme spôsobom ovládnutia čo najväčšej časti trhu svojimi výrobkami. Na dosiahnutie cieľa ako takého je potrebné získať čo najviac zákazníkov so záujmom o svoje výrobky, pričom tento záujem je priamo úmerný miere uspokojenia potrieb zákazníkov prostredníctvom výroby týchto výrobkov. Flexibilita meracieho systému je jednoznačne jedna zo schopnosťí ako uspokojiť potreby koncového užívateľa. Vývoj meracej techniky obecne a v celosvetovom meradle sleduje trend zvyšujúcej sa flexibility meracieho systému. Zvyšujúca sa flexibilita meracích systémov je možná i vďaka vývoju nových technológii a prístupu k vývoju týchto meracích systémov. Na nasledujúcom obrázku 2.1.1 je zobrazený tento vývoj meracej techniky v čase. Obr.2.1.1 Vývoj meracej techniky v čase z hľadiska narastajúcej flexibility
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.3 2.2 Meracie prístroje z obdobia klasickej inštrumentácie Pri starších analógových meracích prístrojoch bez komunikačného rozhrania (voltmetre, ampérmetre, multimetre, osciloskopy, ) je funkcia meracieho zariadenia definovaná jednoznačne jeho výrobcom a koncový užívateľ môže využiť len funkcie, ktoré sú výrobcom v prístroji implementované flexibilita takéhoto meracieho systému je nízka a tým pádom je potreba užívateľa neuspokojená. Konfigurácia meracieho prístroja pre danú meraciu úlohu prevádzame ručne ovládanými prvkami na jeho čelnom paneli. Pri takejto forme sa obsluha môže ľahko dopustiť chybného nastavenia a proces konfigurácie je pri zložitých prístrojoch zdĺhavý. Ďalším obmedzením je preberanie nameraných hodnôt, ktoré je prevádzané koncovým užívateľom. Hodnoty sa totiž preberajú opisovaním nameraných dát z displeja, čo je takisto zdĺhavé a taktiež zdrojom hrubých chýb merania, takzvaná osobná chyba. 2.3 Meracie prístroje vybavené komunikačným rozhraním Vyššie uvedené aspekty klasickej inštrumentácie viedli k snahe zefektívniť konfiguráciu MP a preberanie nameraných hodnôt s vylúčením ľudského činiteľa priamou komunikáciou MP s počítačom. Využíva sa otvorená architektúra PC. Každý proces merania sa vyznačuje dvoma etapami interakcie užívateľa s MP oddelenými od seba vlastním meraním. V prvej etape dochádza ku konfigurácii MP, nastaveniu všetkých parametrov prístroja na hodnoty vyžadované daným meraním. Tok informácii je v tejto fáze od užívateľa k prístroju. V druhej etape interakcie dochádza k vlastnému vyčítaniu nameraných hodnôt. Smer toku informácii je od MP k užívateľovi. V obidvoch fázach interakcie užívateľa s MP možno uvažovať o náhrade koncového užívateľa PC, čo prináša dve zásadné výhody: možnosť automatizácie celého merania a tým jeho zefektívnenie z hľadiska časovej náročnosti celého procesu
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.4 vylúčenie ľudského faktoru z meracieho reťazca možno eliminovať zdroj chýb, ktoré zaťažujú výsledok merania (chyby osobné) 2.4 Fáza virtuálnej inštrumentácie Podstatou virtuálneho prístroja (VI - Virtual instrument) je doplnenie otvorenej architektúry PC tým, čo mu chýba, aby mohol plniť úlohu MP. V oblasti hardwaru je to zásuvná multifunkčná karta (zásuvná meracia doska) vybavená konektorom pre zasunutie tejto karty do systémovej dosky PC (historické sloty ISA, EISA, dnes štandardné PCI zbernice). Úlohou tejto zásuvnej meracej dosky je prevod meraných analógových signálov na číslo a vstup binárnych signálu. V oblasti softwaru je to vhodný program pre počítač, ktorý realizuje všetky MP a plní tak úlohu pevného programového vybavenia MP. Neoddeliteľnou súčasťou aplikácie predstavujúcu virtuálny prístroj je grafické rozhranie k užívateľovi čelný panel virtuálneho prístroja. Koncový užívateľ na ňom má k dispozícii: ovládacie prvky pre nastavenie parametrov prístroja indikačné prvky informujúce o výsledkoch merania Technológiu VI dnes využívajú i renomovaní výrobcovia meracej techniky. V ponuke MP týchto firiem možno nájsť prístroje, ktorých hardvér je postavený na technológii PC. Ďalšia fáza využití technológie VI predstavuje prístroje, ktoré umožňujú spúšťanie vlastných aplikácii priamo na hardvérovej platforme MP. V rámci tejto diplomovej práce sa budeme pod názvom virtuálny prístroj rozumieť aplikáciu vytvorenú vo vývojovom prostredí LabVIEW vybavenú grafickým rozhraním k užívateľovi a využívajúcu pre vstup meraných signálov zásuvné multifunkčné karty, alebo komunikáciu s prístrojom pripojeným cez komunikačné rozhranie.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.5 3. PROGRAM LABVIEW 3.1 Úvod LabVIEW je grafický programovací jazyk, ktorý používa ikony namiesto riadkov textu na vytváranie aplikácií. V porovnaní s textovo založenými programovacími jazykmi, kde inštrukcie určujú zámer programu, v LabVIEW určuje uskutočnenie prúd informácií. V LabVIEW, vytvárame užívateľské rozhranie použitím súpravy náradia a objektov. Užívateľské rozhranie je známe ako čelný panel. Kde pridáme kód použitím grafického znázornenia funkcií na kontrolu objektov čelného panelu. Bloková schéma tento kód potom automaticky obsahuje. Do určitej miery sa bloková schéma podobá vývojovému diagramu. LabVIEW programy sa nazývajú virtuálne prístroje, alebo VI, lebo ich vzhľad a prevádzka imitujú reálne prístroje, ako osciloskopy a mutlimetre. Každý VI používa funkcie na manipuláciu vstupu z užívateľského rozhrania alebo iných zdrojov a túto informáciu zobrazuje, či presunie do iných súborov alebo iného počítača. 3.2 Grafické rozhranie čelný panel Obr.3.2.1 Čelný panel programu LabVIEW
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.6 Na obrázku 3.2.1 je príklad VI, ktorý simuluje meranie teploty. Ovládacím prvkom je vypínač, ktorým užívateľ zapína a vypína obvod merania. Indikačným prvkom je grafický displej znázorňujúci nameraný časový priebeh. Oproti klasickému prístroju si virtuálny prístroj ponecháva všetky výhody PC štandardné média pre ukladanie nameraných dát (pevný disk, disketa, USB, kompaktný disk), ľahké pripojenie periférií (tlačiareň, modem), jednoduchá konektivita do počítačových sieti, a tým možnosť zdieľania nameraných dát, či diaľkové ovládanie prístroja. Okrem toho sa dá jeho funkcia ľahko zmeniť modifikáciou vytvorenej aplikácie. 3.3 Grafické rozhranie bloková schéma Obr.3.3.1 Bloková schéma programu LabVIEW Bloková schéma (Obr. 3.3.1) je grafickým vyjadrením zdrojového kódu virtuálneho prístroja. Konštruuje sa prepojovaním jednotlivých blokov signálovými cestami. Bloky sú tvorené koncovými blokmi (zdrojovými a cieľovými), ktoré sú na panel blokovej schémy umiestené automaticky pri tvorbe čelného panelu a takisto uzlovými blokmi, ktoré reprezentujú bloky spracovávania signálu, ktoré možno vyberať z paletového menu Functions reprezentujúceho knižnicu funkcii v okne blokového diagramu.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.7 4. MERACIE SYSTÉMY Zásuvné multifunkčné karty doplňujúce architektúru personálneho počítača pre účely merania majú obmedzenie hlavne v parametri dosiahnuteľnej vzorkovanej frekvencie a súčasnosti snímania z viacerých kanálov. Bežné meracie karty pre PCI zbernicu dosahujú maximálnu frekvenciu vzorkovania rádu stoviek tisíc až miliónov vzoriek za sekundu (100 ks/s 1 MS/s, interval medzi vzorkami 10 milisekúnd 1 mikrosekunda) pre signál, ktorý nie je periodický. Špičkové osciloskopy dnes majú tento parameter až o štyri rády lepší (10 GS/s - t.j. desať miliárd vzoriek za sekundu - interval medzi dvoma vzorkami 100 ps).toto obmedzenie rýchlosti merania je u zásuvných multifunkčných karát dané predovšetkým použitou architektúrou A/D prevodníku, šírkou a časovaním zbernice medzi kartou a počítačom. Pre prekonanie tohto obmedzenia je k dispozícii špeciálna architektúra meracích systémov - systémy na báze VXI zbernice (Obr. 4.1). Architektúra tohto systému je tvorená tzv. mainframe-om (rámom s napájacím zdrojom a zbernicou o šírke 32 bitov prepájajúcu až 13 pozícii v tomto ráme). Na pozícii 0 sa do tohto rámu nasadzuje buď jednodoskový počítač alebo konvertor VXI zbernice na protokol GPIB s následným prepojením na riadiaci počítač vybavený kartou. Do zostávajúcich pozícii v ráme sa zasúvajú meracie prístroje v redukovanej podobe zásuvných modulov (nemajú totiž ani čelný panel s ovládacími prvkami, len konektory pre pripojenie meraných signálov). Zbernica VXI sa vyznačuje veľkou priepustnosťou a presným časovaním (spúšťaním meraní), malými rozmermi, menšou náchylnosťou k ovplyvneniu merania rušivými signálmi, dlhšou strednou dobou medzi opravami a kratšou dobou opravy. Nevýhodou týchto meracích systémov je ich vyššia cena. Preto sa vyvinula technológia podobná, ale založená na klasickom PCI rozhraní meracie systémy na báze PXI (rozšírené PCI pre inštrumentáciu) u ktorých sa tu vychádza zo štandardnej PCI zbernice, ale mainframe týchto systémov umožňuje integráciu viacerých meracích kariet s využitím špeciálnych signálov pre synchronizáciu merania.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.8 Obr. 4.1 Naznačenie fyzickej podoby VXI meracieho systému Obr. 4.2 Naznačenie fyzickej podoby PXI meracieho systému Na obrázku 4.2 vidieť architektúru meracieho systému na báze PXI zbernice. Sú tu dva typy mainframe jeden pre zásuvné moduly predstavujúce jednodoskový PC a meracie moduly (vľavo) a druhý doplnený zásuvnými pozíciami pre moduly úpravy meraných signálov (vpravo). Existuje široký sortiment zásuvných modulov rôznych výrobcov, z ktorých sa dá realizovať merací systém podľa aktuálnych potrieb. Grafické rozhranie pre ovládanie systému sa zobrazuje na monitore PC.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.9 5. PROCES MERANIA A JEHO FÁZY Proces merania sa skladá z troch základných fáz a to: Fáza zberu dát či riadenie technologického procesu V podstate sa používajú nasledujúce typické spôsoby zberu dát cez : zásuvné multifunkčné karty prístroje vybavené rozhraním RS 232 alebo iným sériovým rozhraním prístroje vybavené rozhraním GPIB VXI, PXI meracie systémy PLC priemyslové vstupno-výstupné systémy systémy snímania obrazu V tejto prvej fáze procesu merania sa jedná o získanie tzv. surových dát - obvykle tu v meracích systémoch modernej koncepcie ide o prevod meranej veličiny na elektrický signál nosiaci informáciu o meranej veličine a jeho prevod na číselnú hodnotu. Následne je táto informácia predaná počítaču a uložená do pamäti, spracovaná či zobrazená na displeji. Fáza analýzy nameraných hodnôt digitálne spracovanie signálu (digitálna filtrácia, či výpočet frekvenčnej analýzy) štatistika operácia s dátovými poľami V tejto druhej fáze procesu merania obvykle nastáva potreba odstránenia nežiaducich zložiek meraných signálov (odstránenie rušenia), štatistického vyhodnotenia, výpočet nepriamo meraných veličín z veličín meraných atď.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.10 Fáza prezentácie nameraných a analyzovaných hodnôt grafické rozhranie k užívateľovi sieťové aplikácie archivácie v súboroch tlač
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.11 6. VIRTUÁLNY MERACÍ SYSTÉM Obr. 6.1 Komponenty reťazca pre vytvorenie virtuálneho meracieho systému V ľavej časti obrázku 6.1 sú znázornené dva zdroje meraných veličín technologický proces a testovaný výrobok. V oboch prípadoch sa používa obojsmerná komunikácia do technologického procesu vstupujú veličiny predstavujúce akčné veličiny regulačných obvodu, žiadané hodnoty parametrov a pod., do testovaného výrobku vstupujú stimulačné signály. V opačnom smere, do systému vstupujú merané veličiny. V strednej časti dochádza k úprave meraných veličín na elektrický signál, prevodu do digitálnej podoby a jeho zjednotenie podľa použitého rozhrania. Znázornené sú niektoré zo štandardných možností používaných vo fáze zberu meraných hodnôt : A zásuvná meracia karta s predradeným modulom úpravy meraného signálu B programovateľný logický automat (PLC) s komunikačným rozhraním C merací prístroj s komunikačným rozhraním (GPIB, RS 232) D VXI merací systém V pravej časti je zobrazené PC s aplikáciou realizujúcu funkciu VI.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.12 7. DAQ SYSTÉMY 7.1 Úvod Keďže táto diplomová práca je zameraná najmä na meracie systémy a príklady meraní je treba ozrejmiť si najdôležitejšiu časť procesu merania, na základe ktorého sa stavia celý merací proces. Túto podstatnú a veľmi významnú zložku informačných systémov tvoria systémy zberu a spracovania dát v praxi často označované skratkou DAQ systémy (Data Acquisition systems). Pod DAQ je možné v širšom slova zmysle zahŕňať všetky časti procesu snímania a merania fyzikálnych, chemických a iných fenoménov, predspracovanie a prenos získaných údajov, ich následné spracovanie, vyhodnotenie a prezentáciu a nakoniec spätný proces ovplyvňovania vstupných. Obr. 7.1.1 Systémy zberu a spracovania dát (DAQ systémy)
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.13 Ako vidieť na obrázku 7.1.1 DAQ systémy sú zložené z niekoľkých vrstiev a to signálovej, komunikačnej a riadiacej vrstvy. Z pohľadu zostavovania meracích systémov 7.2 Signálová vrstva Signálová vrstva zahŕňa najnižšiu úroveň DAQ s rozhraním pre priame pripojenie sledovaného technologického procesu. Pomocou obvodov pre úpravu signálov SCXI (Signal Conditioning extension for Instrumentation -predspracovanie a prispôsobenie signálov) sa upravujú signály priamo viazané na sledovaný proces, akými sú napríklad výstupné signály rôznych senzorov (teploty, tlaku, rýchlosti, zrýchlenia,...), priame vstupné a výstupné elektrické signály (napätie, prúd), vstupné a výstupné časovacie signály (frekvencia, perióda, hodinové signály, rôzne impulzné priebehy,...) a diskrétne vstupno-výstupné signály (zapnutie -vypnutie,...). Medzi základné operácie uskutočňované na tejto vrstve patria zosilnenie a zoslabenie, galvanické oddelenie, filtrácia, digitalizácia a analogizácia signálov. 7.3 Komunikačná vrstva Komunikačná vrstva vytvára informačné prepojenie medzi signálovou vrstvou a riadiacou vrstvou teda medzi samotným technologickým procesom a riadiacou štruktúrou. Informácie môžu byť prenášané : a) v analógovej forme - napr. analógová prúdová slučka 4 až 20 ma; b) v číslicovej forme Podľa rozsiahlosti systémov a prenosovej vzdialenosti možno systémy rozdeliť na: 1. Kompaktné systémy, v ktorých signálová, komunikačná a riadiaca vrstva sú sústredené do jedného spoločného zariadenia (počítač). Typickým príkladom takýchto DAQ sú systémy vybudované na báze zásuvných dosiek do počítača
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.14 (Plug in Boards - PIB). Komunikačnú vrstvu v tomto prípade tvorí systémová zbernica počítača (ISA, PCI, VME, VXI,...). 2. Lokálne systémy, kde vzdialenosť medzi signálovou a riadiacou vrstvou nepresahuje niekoľko desiatok metrov. Typickým príkladom takýchto DAQ sú systémy na báze GPIB, RS232, Centronics, a pod. 3. Rozľahlé systémy, kde vzdialenosti nepresahujú zvyčajne 1km. Typickým príkladom sú systémy na báze RS422/423, RS485, Fieldbus, prúdová slučka, RS232, LAN a pod. 4. Distribuované systémy, kde vzdialenosť presahuje jednotky a desiatky km; používajú sa prenosy po telefónnych linkách, rádiové a satelitné prenosové systémy a v poslednej dobe aj Internet. V praxi, najmä v zložitejších DAQ systémoch, sa niekedy súčasne používajú rôzne prenosové systémy - vzniká "hybrid", ktorý je možné zaradiť súčasne do viacerých kategórií. Voľba vhodného prenosového prostredia je veľmi úzko viazaná aj na požadovanú rýchlosť a presnosť celého DAQ, odolnosť voči rušeniu, charakter a vlastnosti riadiacej vrstvy a realizačné náklady. 7.4 Riadiaca vrstva Riadiaca vrstva prestavuje najvyššiu vrstvu v hierarchii DAQ systémov. Skladá sa z technických (hardvér - HW) a programových (softvér - SW) prostriedkov riadenia DAQ systému. Jej základnou časťou býva tzv. radič systému (Controller), ktorý v sebe zahŕňa riadiace aj komunikačné možnosti. V moderných DAQ systémoch sa často používa distribuované riadenie (distribuovaná inteligencia - napr. "inteligentné" senzory so zabudovanými jedno čipovými mikropočítačmi) a to nie len v rozsiahlych systémoch, ale stále častejšie dokonca aj u kompaktných systémoch (napr. signálový procesor priamo na doske PIB). Distribuované riadenie umožňuje značne zvýšiť rýchlosť odozvy a výkonnosť riadenia, napr. v systémoch pracujúcich v reálnom čase (Run in Time) a vytvoriť určitú autonómnosť jednotlivých častí DAQ.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.15 Problematika riadenia a riadiacich algoritmov predstavuje zložitú a samostatnú časť priemyselných informačných systémov a svojim obsahom a rozsahom prekračuje problematiku samotných DAQ systémov. 7.5 Porovnanie klasickej a virtuálnej inštrumentácie Tradičný prístroj Virtuálny prístroj Charakter a vlastnosti definované predajcom : Charakter a vlastnosti definované užívateľom : HW významnejší SW významnejší Funkčne špecifikovaný Nákladný Pevne definované meracie funkcie Aplikačne špecifikovaný Lacný, prekonfigurovateľný Pružné funkčné možnosti Inovačný cyklus 5-10 r. Inovačný cyklus 1-2 r. Vysoké vývojové a údržbové náklady Náklady na vývoj využívajú výsledky vývoja HW a SW prostriedkov výpočtovej techniky Tabuľka 7.3.1 Porovnanie vlastností tradičných a virtuálnych meracích prístrojov. Klasické prístroje boli definované výrobcom a užívateľovi ostávala iba obmedzená možnosť voľby z ponuky jeho výrobkov. Dnešným trendom je aby počítač bol motorom umožňujúcim snímanie dát a na základe nich aj riadenie procesu. Technické prostriedky realizujúce tieto virtuálne prístroje využívajú otvorenú architektúru priemyselných výpočtových systémov, ich pamäť, displej a programovú kapacitu. Okrem týchto blokov je počítač potrebné doplniť o dosku analógovo - číslicových rozhraní a potrebných obvodov pre úpravu analógového signálu. Platí tu komerčne prezentovaný slogan "softvér je prístroj".
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.16 8. DAQ SYSTÉMY NA BÁZE ZÁSUVNÝCH DOSIEK Externá zbernica pre prepojenie riadiaceho počítača s prístrojmi môže byť nahradená vnútornou zbernicou počítača a jednotlivé prístroje zas zásuvnou doskou zberu dát. Toto riešenie je vhodné pre malé jednoduché systémy zberu dát, kde získanie požadovaného výsledku meraní sa uskutoční spracovaním odobraných vzoriek v počítači. Zásuvné dosky s A/D a D/A prevodníkmi, číslicovými vstupmi a výstupmi, programovateľným čítačom a časovačom sú zasunuté do prázdneho PC slotu a sú pripojené k jeho zbernici (obvykle ISA) takým istým spôsobom ako iné dosky pre riadenie štandardných periférií. Obr. 8.1 Typická bloková schéma multifunkčnej zásuvnej karty Činnosť tejto dosky je riadená a prenos údajov sa realizuje pomocou vstupnovýstupných brán. DMA režim zápisu a čítania z pamäte počítača sa využíva pre prenos veľkého objemu údajov. Jednoduché ovládacie podprogramy (ovládače) pre vyššie programovacie jazyky (LabVIEW, C, Pascal) sú dodávané spolu s doskou.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.17 Aktuálny trend v ich vývoji smeruje k zjednodušeniu ich inštalácie, kedy doska po zasunutí do konektora je automaticky konfigurovaná a hardvérovo konfigurovaná ovládacím podprogram (Plug & Play). Univerzálnym predstaviteľom takýchto dosiek je multifunkčná zásuvná doska. Jej najbežnejšia bloková schéma je na obrázku 8.1. Vstupný analógový multiplexor obvykle pripája od 8 po 64 vstupných kanálov na zosilňovač s programovo nastaviteľným zosilnením. Analógové vstupy možno pripojiť ako diferenčné medzi dvojicami, alebo ako asymetrické voči spoločnej zemi. Za zosilňovačom pripojený vzorkovací obvod drží hodnotu napätia na vstupe A/D prevodníka konštantnou po dobu konverzie. Analógovo číslicový prevodník je najčastejšie aproximačného typu s 12 alebo 16 bitovým výstupom. Vzorkovacia frekvencia je limitovaná možnou rýchlosťou prenosu údajov z A/D prevodníka do počítačovej pamäte. Maximálna vzorkovacia frekvencia je 250 ks/s pri použití ISA zbernice a DMA prenosu. Výstupný analógový blok obsahuje obvykle 2, prípadne 4 číslicovo analógové prevodníky s rozlíšením 12 alebo 16 bitov. Pomocou nich je možné generovať časový priebeh ľubovoľného tvaru. Programovateľné čítače inštalované na tejto doske majú za úlohu riadiť časovanie AČ a ČA prevodníkov. Zvyšný časovač v ich puzdre umožňuje generovať impulzy definovanej šírky a frekvencie alebo môže byť použitý na konverziu šírky TTL impulzu alebo frekvencie na číslo. Je to preto ďalšie rozhranie medzi spojitými veličinami a ich číslicovou interpretáciou. Okrem týchto vstupov a výstupov býva doska vybavená 16 alebo 32 vstupno výstupnými číslicovými linkami. Tieto môžu byť ľubovoľne zatriedené do dvoch skupín číslicových vstupov a výstupov. Špecializované dosky sa od tejto univerzálnej odlišujú podľa účelu, pre ktorý sú určené. Najčastejšou modifikáciou sú dosky s vysokou vzorkovacou frekvenciou, kde súčasťou dosky je potom aj rýchla pamäť. Takéto dosky sú určené pre spracovanie obrazov a umožnia vo svojej internej pamäti registrovať vzorky s frekvenciou 100 MS/s. Na ich spracovanie môže byť na doske inštalovaný aj signálový procesor. V niektorých prípadoch je potrebné odoberať vzorky presne v tom istom okamihu zo všetkých analógových vstupov. Dosky umožňujúce synchrónne snímanie sú vybavené samostatným zosilňovačom a vzorkovacím obvodom pre každý vstup zvlášť. Tieto vstupné obvody musia byť zapojené ešte pred analógový multiplexor.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.18 Iným vylepšením univerzálnej multifunkčnej dosky je implementácia synchronizačných obvodov, ktoré umožňujú také funkcie ako spustenie vzorkovania externým signálom, alebo nárastom snímaného signálu na určitú úroveň (obdoba externej a internej synchronizácie v osciloskope), automatickú zmenu vzokovacej frekvencie podľa charakteru snímaného signálu, zmenu vzorkovacej frekvencie bez prerušenia vzorkovania externým signálom alebo programovo, zvýšenie vzokovacej frekvencie opakovaným prevzorkovaním periodických signálov, synchronizáciu analógovo-číslicovej a číslicovo-analógovej konverzie atď. Pre aplikáciu v priemysle je často potrebné galvanicky oddeliť vstupy a výstupy signálov. Niektoré dosky majú toto oddelenie v sebe priamo implementované najmä pre číslicové vstupy/výstupy. Ďalším prípadom sú dosky s väčším počtom programovateľných čítačov. Používajú sa na snímanie signálov, kde mieru-nosnou zložkou je frekvencia alebo čas. Patria sem dosky pre inkrementálne čidlá - obyčajne majú vstupy pre tri čidlá pohybu v troch smeroch. Vo vstupných obvodoch sa signály z čidiel upravujú a tvarujú a je z nich možné odvodiť smer snímaného pohybu a teda aj riadenie smeru počítania čítačov. Vyrábajú sa aj dosky, ktoré obsahujú programovateľné filtre na báze spínaných kapacít, alebo signálových procesorov s programovo nastaviteľným typom a rádom filtra. Špeciálnym prípadom zásuvnej dosky je aj doska pre riadenie krokových motorov. Je obyčajne osadená jedno čipovým mikropočítačom, ktorý riadi ostatné časti dosky (prevodníky, čítače a pod.); nadriadený počítač môže programovo meniť parametre riadenia zadávaním jednoduchých príkazov bez toho, aby musel samotné riadenie vykonávať. Ako príslušenstvo k týmto doskám výrobcovia ponúkajú bloky predspracovania signálu SCXI, pozostávajúce, napr. z izolačných zosilňovačov, konvertorov signálu pre rôzne typy štandardných snímačov (odporový snímač teploty, tenzometrický mostík atď.). Tieto sú vyrábané buď ako prídavné zásuvné jednotky, alebo relatívne samostatné zariadenia modulárne zostavované v ráme s vlastným napájaním blízko snímača. Pomocou multifunkčných zásuvných dosiek je možné realizovať jednoduchý riadiaci systém.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.19 Analógové vstupy získavajú informáciu o stave procesu, pomocou analógových výstupov sa riadia vstupné veličiny a ovládajú binárne vstupy a registrujú binárne stavy. Programovateľné čítače môžu vyhodnocovať parametre predstavované frekvenciou, ale aj meniť spojitú veličinu šírkovou moduláciou impulzného priebehu. Kombináciou zásuvných dosiek zberu dát a príslušného softvéru sa potom realizujú celé prístroje, kde na displeji počítača sa zobrazí čelný panel prístroja a jeho jednotlivé "virtuálne" tlačidla sa ovládajú pomocou myši. Takto je možné obrazovku rozšíriť aj o schematické zobrazenie celého riadeného technologického procesu, kde potom pomocou "virtuálnych" panelových zobrazovačov a ovládačov operátor sleduje a ovláda technologický proces ako na velíne pozostávajúcom z fyzicky inštalovaných prvkov snímania a riadenia. Fotografia multifunkčnej zásuvnej karty je uvedená v prílohe č.1.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.20 9. OVERENIE SYSTÉMU SIMULÁCIOU 9.1 Simulácia generovania, analýzy a zobrazenia signálu Ako jednoduchý príklad simulácie v programe LabVIEW som si vybral simulovanú aplikáciu, ktorou generujem, analyzujem a zobrazujem signál. Obr. 9.1.1 Bloková schéma simulácie generovania, analyzovania a zobrazenia signálu Ako na obrázku 9.1.1 blokovej schémy vidno, na simuláciu signálu som použil funkciu simulácie signálu (Simulate signal). Funkcii simulácie signálu som musel nadefinovať parametre signálu. Konfiguračné možnosti funkcie simulácie signálu sú rozsiahle a nastavujem nimi tvar, frekvenciu, amplitúdu, šum a ďalšie parametre priebehu daného simulovaného signálu. V prípade tejto simulácie to bola sínusoida. Analýzu signálu vykonávam funkciou amplitúdového a úrovňového merania (Amplitude and Level Measurements). Tú som nastavil na meranie rozpätia od záporného vrcholu ku kladnému vrcholu signálu (rozkmitu) a efektívnej hodnoty
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.21 analyzovaného signálu. K zobrazovaniu som použil graf pre časový priebeh vlny a zobrazovacie bloky analyzovaných veličín. Obr. 9.1.2 Čelný panel generovania, analyzovania a zobrazenia signálu Indikačnými prvkami na čelnom paneli sú graf priebehu a indikátory analyzovaných veličín. Ovládacím prvkom je tlačidlo stop, ktorým danú simuláciu zastavím.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.22 9.2 Experimentálna simulácia magnetického obvodu 9.2.1 Teória magnetického obvodu k danej simulácii Zmyslom tejto simulácie je analýza typického magnetického obvodu simuláciou a štúdium zmien magnetických parametrov obvodu spôsobených zmenou fyzických parametrov, počtu závitov a zohľadnenia rozptylu v magnetickom obvode. Principiálne predpoklady pre analýzu magnetického obvodu: Ak je frekvencia <50 Hz, môžme aplikovať Ampérov zákon : NI [A; Am-1, m] = H I k mk Kde N je počet závitov, I je prúd, H k je intenzita magnetického poľa, l mk je stredná hodnota dĺžky média, magnetického jadra. Φ = BA [Wb; T, m 2 ] Kde B je magnetická indukcia B a A je plocha priečneho rezu magnetického jadra. Obr. 9.2.1.1 2D reprezentácia magnetického obvodu a bloková schéma MO Na obrázku. 9.2.1.1 je 2D reprezentácia MO kde L s zobrazuje strednú hodnotu dĺžky jadra a vzduchovej medzery. R j je magnetický odpor jadra a R m je magnetický odpor vzduchovej medzery.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.23 Ak existuje rozptyl, magnetická indukcia vo vzduchovej medzere je menšia než v jadre a je nemožné analyticky ju vypočítať. A preto rozptyl nahradím pridaním strednej dĺžky vzduchovej medzery ku každej dimenzii prierezu vzduchovej medzery (predpokladám, že prierezy na oboch stranách vzduchovej medzery sú identické). V aplikácii Ampérového zákona môžem podľa nepoznaného parametra použiť metódy: Výpočtu magnetického napätia, NI, pre danú magnetickú indukciu, B, alebo výpočtu magnetického napätia pre daný magnetický tok. V magnetickom jadre je magnetická indukcia B spojená s intenzitou magnetického toku H podľa BH krivky, ktorá je nelineárna. Sklon krivky je závislý od permeability materiálu µ. B = µh [T; WbA -1 m -1, Am -1 ] Vo väčšine prípadov sú elektromagnetické zariadenia navrhnuté aby pracovali s lineárnou sekciou BH krivky magnetických materiálov. V mojom prípade predpokladám, že permeabilitu magnetického materiálu jadra je konštanta, ktorá je približne rovnaká ako premeabilita vzduchu, µ 0. µ µ r µ 0 = [WbA -1 m -1 ; WbA -1 m -1, WbA -1 m -1 ] kde µ r je relatívna permeabilita jadra. Magnetický odpor magnetického obvodu je daný vzťahom : R = l / µ A [ Ω ; m, WbA -1 m -1,m 2 ] kde l je stredná dĺžka a A je plocha priečneho rezu magnetického jadra.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.24 9.2.2 Simulačná aplikácia Obrázok čelného panela simulácie magnetického obvodu je uvedený v prílohe č.3. Ako na ňom vidno skladá sa zo štyroch hlavných častí. Prvá časť (Obr. 9.2.2.) je 3D zobrazenie simulovaného magnetického obvodu, kde pomocou číselných riadiacich prvkov nastavujem rozmery obvodu a počet závitov cievky. Parametre môžme meniť aj počas simulácie. Obr. 9.2.2.1 3D zobrazenie magnetického obvodu Druhá časť (Obr. 9.2.2.2) je náhradná schéma magnetického obvodu s orientáciou toku v obvode. Číselné ukazovatele zobrazujú jednotlivé parametre náhradnej schémy. Obr. 9.2.2.2 Náhradná schéma MO
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.25 Tretia časť (Obr. 9.2.2.3) ja panel ďalších nastavení, kde si môžem nastaviť veľkosť indukcie magnetického poľa vo vzduchovej medzere, relatívnej permeability jadra. Tento panel tiež ponúka možnosť otočenia polarity a zohľadnenia rozptylu magnetického toku vo vzduchovej medzere. Obr. 9.2.2.3 Panel ďalších nastavení Štvrtá časť (Obr. 9.2.2.4) je panel zobrazujúci všetky ostatné analyzované veličiny danej simulácie magnetického obvodu. Ak som počas simulácie zmenil parametre obvodu hodnoty, hodnoty analyzovaných veličín sa obnovia. Odhadovaná hodnota prúdu je zobrazená modrou farbou. Obr. 9.2.2.4 Panel ostatných analyzovaných veličín Bloková schéma simulácie magnetického obvodu je v prílohe č.2.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.26 10. PRÍKLADY A METÓDY VYUŽITIA NI-DAQ VI 10.1 Meranie DC napätia Táto časť opisuje metódy a možnosti merania jednosmerného napätia s použitím DAQ zariadení a inštrumentov. Ako príklad možností meraní DC napätia s použitím DAQ zariadení je uvedené jednoduché meranie rýchlosti vetra, kde sa meria napätie na výstupe z vetrometra a z neho nasledovne vypočítame rýchlosť vetra. Obr. 10.1.1 Schému zapojenia vetrometra Na obrázku 10.1.1 je schéma zapojenia vetrometra rozsahom výstupnej hodnoty 0 až 10 V čo odpovedá rýchlosti vetra od 0 do 200 kilometrov za hodinu (kmh -1 ). Na výpočet rýchlosti vetra sa používa rovnica: Uk = v [V, kmh -1 V -1 ; kmh -1 ] Kde U je snímanie z vetrometra, k je konštanta prevodu na rýchlosť a v je rýchlosť vetra.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.27 10.1.1 Metóda s tradičnými NI-DAQ Bloková schéma na obrázku 10.1.1.1 používa k meraniu vetra tradičné virtuálne inštrumenty NI-DAQ. Device (zariadenie) je číslo pridelené k zásuvnému DAQ zariadeniu počas konfigurácie. Channel (kanál) je vstupný analógový kanál ku ktorému je vetrometer pripojený. High limit (horná hranica) a low limit (dolná hranica) ukazujú očakávané rozhranie napätia, ktoré určuje rozhranie merania priloženého DAQ zariadenia. AI Sample Channel VI (AI Odobrať vzorku kanála VI) získava jednu veličinu, v tomto prípade napätie. Konštanta 20 km/h na volt je privedená do funkcie násobenia, kde sa vynásobí s hodnotou napätia, čo má za následok zmenu napätia z rozmedzí 0 V až 10 V na hodnotu rýchlosti vetra v rozmedzí 0 km/h až 200 km/h. Obr.10.1.1.1 Bloková schéma s využitím tradičných DAQ VI k meraniu napätia a nasledovnej premeny na rýchlosť vetra Použitím DAQ Named Channels (DAQ pomenovaný kanál) sa zjednoduší bloková schéma ako je to uvedené na obrázku 10.1.1.2. DAQ Named Channel na danom obrázku obsahuje informácie o čísle zariadenia, kanále, rozhranie merania a mierke. AI Sample Channel VI získava jednu veličinu, ale v tomto prípade je na výstupe tohto VI priamo rýchlosť vetra.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.28 Obr.10.1.1.2 Zjednodušená bloková schéma s využitím AI Sample Channel VI 10.1.2 Metóda s NI-DAQmx Bloková schéma na obrázku 10.1.2.1 využíva k meraniu rýchlosti vetra virtuálne inštrumenty DAQmx. DAQmx Create Virtual Channel VI (DAQmx vytvor virtuálny kanál) používa fyzický kanál na vytvorenie virtuálneho kanála analógového vstupného napätia. Rozhranie napätia je od 0 do 10 V. DAQmx Read (DAQmx čítaj VI) číta vzorky z daného jedného kanálu. Hodnota mierky 20 kmh -1 na Volt je privedená do funkcie násobenia, kde sa vynásobí s hodnotou napätia, čo má za následok zmenu napätia z rozmedzí 0 V až 10 V na hodnotu rýchlosti vetra v rozmedzí 0 kmh -1 až 200 kmh -1. Obr. 10.1.2.1 Bloková schéma s využitím DAQmx VI
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.29 10.1.3 Metóda s meracím prístrojom napätie analógovo - digitálna IVI ovládač DC hodnota konverzia signál mer. prístroj LabVIEW funkcie napätie Obr. 10.1.3.1 Systém metódy pre meranie DC napätia Obrázok 10.1.3.1 ukazuje merací systém, ktorý používa samostatne zariadenie na meranie DC napätia. Toto zariadenie sa dá priamo pripojiť na PC. Signál je získaný a premenený na digitálny meracím prístrojom. S hodnotami vystupujúcimi z meracieho prístroja už neskôr pracujeme v prostredí LabVIEW. Celý proces je riadený z počítača IVI Dmm ovládačmi, ktoré sú navrhnuté na spoluprácu so samostatnými meracími zariadeniami. Obr. 10.1.3.2 Bloková schéma merania DC napätia použitím Ivi Class VI Bloková schéma (Obr. 10.1.3.2) používa Ivi class driver VI (Ivi ovládač VI) k meraniu DC napätia. IviDmm Initialize VI (IviDmm štart VI) používa logické meno k vytvoreniu spojenia a spustenia prístroja. IviDmm Configure Measurement VI (IviDmm konfigurácia merania VI) konfiguruje meranie na DC volty, IviDmm Read VI (IviDmm čítanie VI) číta hodnoty a IviDmm Close VI (IviDmm zatvor VI) zatvára spojenie.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.30 10.2 Meranie striedavého napätia Táto časť opisuje metódy a možnosti merania striedavého napätia s použitím DAQ zariadení a inštrumentov. Ako príklad možností meraní AC napätia je uvedené jednoduché meranie efektívnej hodnoty striedavého napätia (Obr. 10.2.1), kde je na kanál multifunkčnej karty privedené striedavé napätie. Samozrejme, hodnota napätia nesmie presahovať hranice vstupného napätia DAQ zariadenia daného výrobcom. napätie analógovo-digitálna softvérové testovanie efektívna hodnota konverzia signálu sínusoida multifunkčná karta LabVIEW analýza napätie (DAQ zariadenie) Obr. 10.2.1 Systém merania efektívnej hodnoty napätia 10.2.1 Metóda s tradičnými NI-DAQ Obr. 10.2.1.1 Bloková schéma DAQ merania efektívnej hodnoty napätia Bloková schéma na obrázku 10.2.1.1 používa k meraniu efektívnej hodnoty striedavého napätia tradičné virtuálne inštrumenty NI-DAQ. AI Acquire Waveform VI (AI získaj priebeh VI) získava časový priebeh vlny.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.31 Number of samples (počet vzoriek) a sample rate (vzorkovacia frekvencia) definujú priebeh. Basic Averaged DC-RMS VI (VI pre výpočet efektívnej hodnoty DC napätia) odhaduje efektívnu hodnotu napätia a jednosmerné zložky. Pre sínusový priebeh prechádzajúci nulou máme na výstupe z Basic Averaged DC-RMS VI jednosmernú hodnotu a efektívnu hodnotu napätia. Pre sínusový priebeh neprechádzajúci nulou máme na výstupe miesto DC hodnoty DC posun a efektívnu hodnotu ako keby sínusoida prechádzala nulou. Efektívna hodnota sa vzťahuje na tvar priebehu a nie frekvencii hodnôt, preto na presné odhadnutie tvaru priebehu musíme mať vzorkovaciu frekvenciu 5 až 10 násobok frekvencie priebehu. 10.2.2 Metóda s NI-DAQmx Bloková schéma na obrázku 10.2.2.1 využíva k meraniu efektívnej hodnoty striedavého napätia virtuálne inštrumenty NI-DAQmx. DAQmx Create Virtual Channel VI (DAQmx vytvor virtuálny kanál ) vytvára virtuálny kanál k získavaniu signálu napätia. DAQmx Timing VI (DAQmx časovací VI) je nastavený ako Sample Clock (vrozkovací takt) s ohraničeným vzorkovacím módom. Samples per Channel (počet vzoriek na kanál) a Rate (množstvo) určujú koľko vzoriek na kanál a v akom množstve má zariadenie získať. Keďže pre tento príklad je potrebné získať 20,000 vzoriek pri množstve 20,000 vzoriek za sekundu, toto získavanie trvá jednu sekundu a skončí. DAQmx Read VI (DAQmx čítaj VI) meria 20,000 vzoriek napätia a posiela priebeh do Basic Averaged DC-RMS VI, ktorý odhaduje jednosmernú a efektívnu hodnotu priebehu. Obr. 10.2.2.1 Bloková schéma s využitím DAQmx VI
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.32 10.2.3 Meranie Max a Min striedavého napätia napätie analógovo - digitálna softvérové testovanie merania konverzia signálu sínusoida multifunkčná karta LabVIEW analýza napätia Obr. 10.2.3.1 Systém merania maxima, minima a rozkmitu AC napätia Pre toto meranie je signál obyčajne opakovaný, ale meranie maxima, minima a rozkmitu si nevyžaduje opakovaný signál. Hodnota rozkmitu je maximálne kolísanie napätia (maximum minimum). Obr. 10.2.3.2 Bloková schéma merania maxima, minima a rozkmitu s využitím tradičných NI-DAQ VI Na obrázku 10.2.3.2 je zobrazená bloková schéma pre meranie maxima, minima a rozkmitu striedavého napätia. AI Acquire Waveform VI (AI získaj priebeh VI) pozoruje dáta jedného kanálu DAQ zariadenia. Výstupom z Waveform Min Max VI (VI maxima a minima priebehu) je maximálna a minimálna hodnota priebehu, rozdiel týchto hodnôt určuje rozkmit napätia.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.33 10.2.4 Metóda s meracím prístrojom Merací systém je taký istý ako pri meraní jednosmerného napätia, kde sa používa samostatne zariadenie na meranie DC /AC napätia. Toto zariadenie sa dá priamo pripojiť na PC. Signál je získaný a premenený na digitálny meracím prístrojom. S hodnotami vystupujúcimi z meracieho prístroja už neskôr pracujeme v prostredí LabVIEW. Celý proces je riadený z počítača IVI Dmm ovládačmi, ktoré sú navrhnuté na spoluprácu so samostatnými meracími zariadeniami. Obr. 10.2.4.1 Bloková schéma merania efektívnej hodnoty AC napätia použitím meracieho prístroja a Ivi Class VI Bloková schéma (Obr. 10.2.4.1) používa Ivi class driver VI (Ivi ovládač VI) k meraniu efektívnej hodnote AC napätia. IviDmm Initialize VI (IviDmm štart VI) používa logické meno k vytvoreniu spojenia a spustenia prístroja. IviDmm Configure Measurement VI (IviDmm konfigurácia merania VI) konfiguruje meranie na AC volty, IviDmm Read VI (IviDmm čítanie VI) číta hodnoty a IviDmm Close VI (IviDmm zatvor VI) zatvára spojenie.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.34 10.3 Meranie prúdu Táto podkapitola opisuje postup a možnosti merania jednosmerného napätia s použitím DAQ zariadení. Keďže multifunkčné DAQ zariadenia nemôžu priamo merať prúd, musí sa použiť presný odpor v sérii s prúdovou slučkou na čítanie napätia ako na obrázku 10.3.1. 4 až 20 miliampérov slučky sú zvyčajne používané v meracích systémoch. 4-20 ma slučky spájajú dynamický rozsah so živým nulovým bodom 4 ma pre zisťovanie otvorenej slučky v systémoch, ktoré neprodukujú iskry. Ďalšie výhody obsahujú množstvo kompatibilného hardvéru a nízku cenu. 4-20 ma slučky majú množstvo použití ako napríklad digitálnu komunikáciu, aplikácie ovládania a diaľkové snímacie senzory. Zmysel tejto prúdovej slučky je možnosť pre daný senzor vysielať signál vo forme prúdu. Ako príklad je uvedené meranie úrovne hladiny kvapaliny v nádrži. Na obrázku 10.3.1 senzor úrovne a elektronika diaľkového senzoru sú typicky zabudované do samostatnej jednotky a napájané externým zdrojom 24 VDC. Senzor reguluje prúd, ktorý reprezentuje hodnotu, ktorú meria daný senzor. V tomto prípade úroveň hladiny kvapaliny v nádrži. Obr. 10.3.1 Schému zapojenia prúdovej slučky
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.35 DAQ zariadenie číta úbytok napätia na 249 ohmovom odpore R p. Podľa Ohmového zákonu sa získava prúd: I = U / [A; V, Ω ] R p Keďže prúd I je v rozmedzí 4-20 ma a Rp je 249 Ω, potom U má rozsah od 0,996 V do 4,98 V, ktoré je v rámci rozsahu DAQ zariadenia. Táto rovnica je užitočná na prepočet prúdu, kde prúd reprezentuje fyzikálnu hodnotu úrovne hladiny. prevodník analógovo-digitálna meranie prúdu konverzia snímač DAQ zariadenie úroveň hladiny Obr. 10.3.2 Systém merania prúdu Bloková schéma na obrázku 10.3.3. používa tradičné NI-DAQ VI k implementácii Ohmového zákona. Obr. 10.3.3 Bloková schéma merania úrovne hladiny
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.36 Princíp merania prúdu je založený na meraní úbytku napätia na presnom odpore, čiže rôzne metódy merania prúdu sú totožné s meraniami napätia, ktoré boli uvedené v podkapitolách merania napätia. Ďalšími možnosťami merania prúdu je využitie halových sond. Tieto sondy využívajú halový jav na meranie prúdu a výstupom z týchto sond je napätie o hodnote zodpovedajúcej hodnote meraného prúdu. Táto metóda je použitá pri experimentálnom meraní, viac v kapitole 12 a 13.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.37 11. MERANIE GENEROVANÉHO SIGNÁLU 11.1 Inštalácia a test meracej karty NI 6221 Meracie zariadenia od spoločnosti National Instruments majú pribalený softwarový ovládač, prídavnú knižnicu funkcií pre VI, ktorú je možné volať z aplikácií ako napr. LabVIEW alebo LabWindows TM /CVI TM, na naprogramovanie daného NI meracieho zariadenia, ako napr. M sady multifunkčného vstupno-výstupného DAQ zariadenia, modulov pre ustaľovanie signálu a prepínanie modulov samotných. Softvérový ovládač má svoje API prostredie, ktoré je tvorené knižnicou VI, funkciami, triedami, atribútmi a vlastnosťami pre vytváranie aplikácií pre vaše zariadenia. NI-DAQ 7.x zahŕňa dva NI-DAQ ovládače, každý so svojím vlastným API prostredím, hardvérovou a softvérovou konfiguráciou. NI-DAQmx je najnovším ovládačom s nasledujúcimi výhodami oproti tradičným (NI-DAQ) od spoločnosti Legacy: DAQ Asistent grafický spôsob konfigurácie virtuálnych kanálov a meracích úloh pre vaše zariadenie. Umožňuje generovať NI-DAQmx kód, založený na vašich virtuálnych kanáloch a úlohách, použiteľný v LabVIEW, LabWindows / CVI, Measurement Studiu a vo VI Loggeri. Zvýšený výkon, vrátane rýchlejšieho jednobodového analógového vstupu/výstupu. NI-DAQmx simulácia pre väčšinu podporovaných zariadení na testovanie a úpravu aplikácií bez pripojenia hardvéru. Jednoduchšie a intuitívnejšie prostredie API pre vytváranie DAQ aplikácií pomocou menšieho počtu funkcií a knižníc VI, ako tomu bolo v predchádzajúcich verziách. Tradičné NI-DAQ od spoločnosti Legacy je staršia verzia ovládača so zastaraným prostredím API pre vytváranie aplikácií na získavanie dát, inštrumentáciu a kontrolu starších NI DAQ zariadení.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.38 11.2 Inštalácia aplikačného softwaru Pre použitie NI-DAQmx je nutné dodržať nasledujúci postup: 1. Nainštalovať LabVIEW 7.x, LabWindows / CVI 7.x, Measurement Studio 7.x, VI Logger 2.x alebo LabVIEW Real-Time Module 7.1 alebo novší. 2. Nainštalovať NI-DAQ 7.x. Najskôr softvérové ovládače, až potom hardvérové zariadenie, aby ho operačný systém Windows dokázal rozpoznať. Pri inštalácii si treba dať pozor na to, aby existujúca aplikácia neobsahovala nepodporované komponenty. Tak isto, NI-DAQ 7.x nemôže byť nainštalovaný naraz na rovnakom systéme ako staršie verzie NI-DAQ. Pri inštalácii NI-DAQ 7.x najnovšia verzia tradičných NI-DAQ od Legacy nahradí staršie verzie NI-DAQ (tradičné aj NI-DAQ 6.x) a akékoľvek súbory s podporou, ktoré boli nainštalované staršími verziami. 3. Pripojiť kartu, príslušenstvo a káble. Pri inštalácii zariadenia treba dávať pozor, či je osoba uzemnená. Po spustení počítača, operačný systém oznámi nájdenie nového zariadenia, ktoré následne nainštaluje. Pre jeho správnu činnosť je nutný reštart (netýka sa rozhrania typu USB alebo IEEE 1394). Správnosť pripojenia karty sa dá skontrolovať spustením Measurement & Automation - MAX (aplikácia v Labview pre meranie a automatizáciu ). 4. Konfigurovať nastavenie zariadenia (každé samostatne). 5. Priviesť meraný signál k meracej karte. V tomto prípade to je signál z nízkofrekvenčného RTL generátora. 6. Mnoho zariadení má vlastný testovací panel pre zistenie špecifických funkcií, ako napríklad schopnosť generovať a získať signál. Takýto test previesť spustením MAX-a, otvorením Devices and Interfaces (zariadenie a rozhrania) a vybratím NI-DAQmx zariadenia. Pravým tlačidlom otvoriť ponuku. Výber Test Panels (testovacie panely) umožňuje na danom zariadení previesť test, ako ukazuje nasledujúci obrázok. Na jednotlivých záložkách je možné vybrať test rôznych funkcií zariadenia.
ŽU v Žiline DIPLOMOVÁ PRÁCA Strana č.39 Obr. 4.2 Test panel 7. Konfigurovať kanály a úlohy. Úloha je jeden alebo viac virtuálnych kanálov s časovaním a ďalšími vlastnosťami. Virtuálne kanály je v NI-DAQmx možné konfigurovať ako súčasť úlohy alebo nezávisle od nej. Kanály, vytvorené vnútri úlohy sa nazývajú lokálne virtuálne kanály, tie nezávislé od úloh sú globálne. Tie je možné vytvoriť v MAX-e alebo vo vašom aplikačnom softwari a v MAX-e ich uložiť. Použiť ich možno neskôr v akejkoľvek aplikácii, alebo ich pridať do akýchkoľvek rôznych úloh. Zmena globálneho virtuálneho kanála postihne všetky úlohy, v ktorých odkazujete na daný kanál.