1. SYSTEMY POMIAROWE
UNIWERSYTET WARMIŃSKO –
MAZURSKI W OLSZTYNIE ZAMIEJSCOWY
OŚRODEK DYDAKTYCZNY W EŁKU
KOSZEWSKA IZABELA AGNIESZKA
2. SPIS TREŚCI:
WSTĘP
1. Definicja i klasyfikacja systemów pomiarowych
2. Struktury systemów pomiarowych
3. Interfejsy systemów pomiarowych
4. Interfejs RS 232
5. Interfejs GBPI
6. Interfejs VXI
7.Magistrale komputerowe w zastosowaniach pomiarowych
8. Uniwersalna magistrala szeregowa USB
9. Magistrala szeregowa IEEE-1394 Fire Wire
10. Interfejs równoległy Centronics
11. Bibliografia
3. System pomiarowy– to odpowiednio zorganizowany zestaw elementów stanowiący całośd
organizacyjną i objęty wspólnym sterowaniem, przeznaczony do wydobycia informacji pomiarowej z obiektu badanego i
przekazania jej obserwatorowi w użytecznej formie .
Systemy pomiarowe dzielimy na:
Badawcze
Pomiarowo-kontrolne
Pomiarowo- diagnostyczne
Systemy obserwacyjne poznawcze
(systemy obserwacyjne badawcze)- stosuje się głównie
w badaniach naukowych, ich celem jest doświadczalna weryfikacja hipotez naukowych. Zbiór otrzymywanych
Informacji jest z reguły wyprowadzany poza strukturę systemu dla operatora kierującego eksperymentem.
Systemy takie wykorzystuje się w wielu dziedzinach nauki takich
jak: elektronika, fizyka,chemia, mechanika, biologia, medycyna i inne..
Systemy pomiarowo–kontrolne-stanowią integralną część
każdego procesu technologicznego, umożliwiając jego automatyzację, pozwalają na pomiar znacznej liczby
parametrów
Systemy pomiarowo-diagnostyczne- służą detekcji,
lokalizacji, identyfikacji lub predykcji uszkodzeń obiektów (np. diagnostyka techniczna, diagnostyka medyczna).
4. Struktura typowego systemu pomiarowego
: w jego skład
wchodzi kontroler sterujący pracą systemu oraz zespół jednostek funkcjonalnych, wśród
których są czujniki pomiarowe przetwarzające wielkości pomiarowe pochodzące z obiektu
pomiaru na sygnały elektryczne, blok akwizycji sygnałów umożliwiający zbieranie
sygnałów pomiarowych i przetwarzanie analogowo-cyfrowe (A/C), blok przetwarzania
danych realizujący cyfrowe przetwarzanie sygnałów, blok generacji wymuszeń
umożliwiający zwrotne oddziaływanie na obiekt oraz blok komunikacji z użytkownikiem.
Kontroler systemu jest odpowiedzialny za czasowo-przestrzenną koordynację działań
systemu, a więc wybór punktów pomiarowych, ustalenie warunków pomiaru, określenie
momentu rozpoczęcia pomiaru oraz organizację przepływu informacji. Kontroler systemu
wykonuje czynności sterujące w systemie pomiarowym zgodnie z programem zawartym
w pamięci. Rozróżnia się kontrolery realizujące wyłącznie stały algorytm pomiarowy
(sterowniki układowe) oraz kontrolery realizujące różne algorytmy, przez zmianę 4
programów wpisanych do pamięci kontrolera. Najczęściej funkcję kontrolera pełnią
systemy mikroprocesorowe, które obok czynności sterujących mogą także przetwarzać
dane.
Blok komunikacji z użytkownikiem jest przeznaczony do wprowadzania i odbierania
informacji z systemu przez użytkownika. W systemach bez komputera wprowadzanie
informacji może być dokonywane np. za pomocą przełączników, natomiast w systemach
komputerowych za pomocą klawiatury, stacji dyskietek, myszki, pióra świetlnego.
Wyprowadzanie informacji odbywa się za pomocą rejestratorów cyfrowych bądź
analogowych, monitorów ekranowych, drukarek oraz z użyciem zapisu do pamięci
dyskowej.
Czujniki pomiarowe przekształcają wielkości nieelektryczne, lub trudno mierzalne
wielkości elektryczne, na łatwo mierzalne wielkości elektryczne, takie jak napięcie stałe,
częstotliwość czy przedział czasu. Postęp w mikroelektronice przyczynił się do powstania
tzw. czujników inteligentnych, które zintegrowane są z układem przetwarzania
i standaryzacji sygnału. Czujniki te potrafią realizować funkcje autokalibracji, linearyzować
charakterystykę przetwarzania, a także eliminować wpływ zakłóceń.
5. Interfejsy systemów pomiarowych
Układ (topologia) systemu pomiarowe może być
układem gwiazd
układem magistrali (szyny)
układem pętli
Ze względu na rodzaj transmisji interfejsy możemy podzielić na
równoległe – poszczególne bity informacji są przesyłane wieloma liniami
szeregowe – bity są przesyłane kolejno tym samym przewodem
Interfejs RS 232
Standard interfejsu RS-232 został określony już w 1962 roku. Jego poprawioną wersję
RS-232C zdefiniowano w 1969 roku.
W standardzie RS-232 określono sposób połączenia urządzeo w celu szeregowego
przesyłania danych. W skład ogólnej struktury układu transmisyjnego wchodzą dwa
urządzenia koocowe dla danych DTE (ang. Data Terminal Equipment) np. komputery
połączone kanałem teletransmisji. Ponieważ bezpośrednie połączenie takich urządzeo
z kanałem teletransmisji jest niemożliwe, wykorzystuje się dodatkowe urządzenia
komunikacyjne dla przesyłu danych DCE (ang. Data Communication Equipment) 8
np. modemy telefoniczne. Zadaniem interfejsu RS-232 jest połączenie urządzenia DTE
z urządzeniem DCE.
Standard RS 232 nie był początkowo przewidywany do łączenia przyrządów
pomiarowych, jednak ze względu na to że w interfejs ten wyposażony jest każdy komputer,
stał się on popularny również w zastosowaniach pomiarowych. Przy połączeniu przyrządu
pomiarowego z komputerem łączą się dwa urządzenia DTE bez pośrednictwa urządzeo
DCE. Takie połączenie nazywa się systemem modułu zerowego (ang. null modem). Przy wykorzystaniu interfejsu RS 232
najczęściej stosuje się transmisję asynchroniczną
start-stopową, w której słowa w postaci ciągu bitów przesyłane są asynchronicznie,
natomiast bity w poszczególnym słowie przesyłane są synchronicznie. W czasie gdy nie są przesyłane dane, na linii TxD
nadajnika występuje stan
wysoki. Przesyłanie danych rozpoczyna się wysłaniem przez nadajnik linią TxD bitu startu
o poziomie niskim. Po opóźnieniu równym połowie czasu przesłania bitu odbiornik na linii
6. RxD odczytuje jego stan, a następnie stan kolejnych bitów danego słowa. Po bicie startu
przesyła się od 5 do 8 bitów danych, a po nich można przesład (ale nie obligatoryjnie) bit
kontroli parzystości. Przesłanie słowa kooczy się jednym lub dwoma bitami stopu
o poziomie wysokim. W celu zapewnienia prawidłowego odbioru informacji nadajnik i odbiornik powinny
pracowad z tą samą częstotliwością. Odbiornik również musi znad format przesyłanego
słowa, tzn. liczbę bitów danych, występowanie i rodzaj bitu parzystości (ang. even parity-
kontrola parzystości, lub ang. odd parity- kontrola nieparzystości) oraz liczbę bitów stopu. 9
Maksymalna prędkośd transmisji zależy od długości połączeo Zaleca się prędkości do
20 kb/s, m.in. 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 kb/s. Długośd połączeo nie
powinna przekraczad zwykle 15 m. Przy krótkich połączeniach prędkośd transmisji można
zwiększyd do 112 kb/s. Zwiększenie zasięgu ponad 15 m umożliwia zastosowanie tzw.
pętli prądowej. Stan „1” reprezentuje prąd o wartości 20 mA, stan „0” – brak przepływu
prądu.
Zwykle komputer PC wyposażony jest w dwa porty RS-232. Umożliwia to dołączenie
najwyżej dwóch urządzeo, a w przypadku gdy do portu RS-232 dołączona jest również
mysz, tylko jednego urządzenia. Jeżeli do komputera trzeba podłączyd więcej urządzeo,
należy skorzystad z dodatkowych modułów zwiększających ilośd portów RS-232.
Przy użyciu interfejsu RS-232 stosowana jest również transmisja synchroniczna. Polega
ona na przesyłaniu bloków danych o zmiennej długości. Blok składa się z nagłówka,
w którym zapisana jest liczba określająca długośd bloku przesyłanych danych, segmentu
zawierającego dane oraz sekwencji kooca bloku zawierającej sumę kontrolną przesyłanych
danych, służącą do detekcji błędów. Bity wchodzące w skład bloku wysyłane są kolejno
zgodnie z taktami zegara, bez bitów określających początek i koniec poszczególnych słów.
Transmisja synchroniczna jest szybsza od asynchronicznej transmisji start-stopowej, jednak
ze względu na bardziej złożoną realizację sprzętową rzadko stosuje się ją w systemach
pomiarowych.
Zastosowanie interfejsu RS-232 w warunkach przemysłowych jest ograniczone.
Przyczyną tego jest brak dostatecznych zabezpieczeo przed zakłóceniami oraz ograniczona
szybkośd i odległośd transmisji. Ograniczenia te spowodowały powstanie nowych
standardów transmisji szeregowej. Najbardziej popularnym z nich stał się opracowany
w 1983 roku standard RS-485. Najważniejsze cechy tego standardu to możliwośd
7. dołączenia do 32 odbiorników i nadajników oraz zwiększenie prędkości transmisji do
10 Mb/s przy maksymalnej odległości 1200 m.
Interfejs GPIB
Interface GPIB (ang. General Purpose Interface Bus) inaczej IEE 488.2 (obecnie
stosowany standard) jest systemem interfejsu dla programowanej aparatury pomiarowej
zbudowanej z urządzeń wyposażonych w układy wejścia/wyjścia zdolne interpretować
komunikaty systemu.
GPIB określa sposób połączenia maksymalnie 14 urządzeń, z których jedno pełni zawsze
role nadrzędną (CIC - Controller-In-Charge). Każde z urządzeń może być typu Talker
(nadawca), Listener (odbiorca), lub pełnić obie te funkcje.
W interfejsie stosuje się szeregowe przesyłanie 8 bitowych bajtów informacji, przy czym
bity są przesyłane równolegle. Urządzenia GPIB dzieli się na nadajniki, odbiorniki i
kontrolery, które porozumiewają się między sobą za pośrednictwem komunikatów.
Komunikaty przesyłane przez system interfejsu są dwóch rodzajów:
- komunikaty interfejsowe, które służą do zarządzania systemem interfejsu. Nazywane są
również komendami, a ich zadaniem jest między innymi inicjowanie transmisji, adresowanie i
rozadresowanie urządzeń, uaktywnianie zdalnego sterowania lub ustanawiania sterowania
lokalnego;
- komunikaty urządzeń, które są przekazywane za pośrednictwem interfejsu, lecz nie są
wykorzystywane ani przetwarzane przez system interfejsu. Komunikaty tego typu mogą
zawierać informacje o przyrządzie, takie jak instrukcje sterowania, status urządzenia lub
wyniki pomiarów oraz zbiory danych.
Nadajnik to urządzenie wysyłające komunikaty urządzeń do jednego lub więcej
odbiorników, których obowiązkiem jest przejęcie tych komunikatów. Nadajnikiem może być
tylko jedno urządzenie, natomiast odbiornikami może być wiele urządzeń.
Kontroler to urządzenie, które zarządza systemem interfejsu, a więc organizuje przepływ
8. informacji i steruje magistralą, wysyłając adresy i komendy. Do magistrali przyłączony może
być tylko jeden kontroler. Kontroler monitoruje sieć połączeń i w przypadku odebrania
sygnału z nadajnika, zgłasza chęć przesłania informacji, umożliwia mu to i łączy z
odpowiednim odbiornikiem. Dopuszczalne jest działanie interfejsu bez zastosowania
kontrolera, w przypadku, jeżeli jedno z urządzeń jest zawsze nadajnikiem, a pozostałe
odbiornikami. Obecność kontrolera jest niezbędna w przypadku konieczność zmian adresów
nadajników i odbiorników. Komputer, który jest wyposażony w kartę GPIB wraz z
oprogramowaniem może pełnić każdą z powyższych funkcji, czyli może być nadajnikiem,
odbiornikiem lub kontrolerem.
Nośnikiem danych w standardzie jest kabel 24-żyłowy. Dwukierunkowa magistrala
interfejsu GPIB zawiera 16 linii sygnałowych i 8 linii powrotnych połączonych z masą
(poprawia to odporność na zakłócenia), 8 przewodów to linie danych DIO1-DIO8 (GPIB
jest interfejsem równoległym). Magistrala jest podzielona na trzy części, magistralę danych
(ang. data bus), magistralę synchronizacji (ang. data byte transfer control bus) i magistralę
sterowania (ang. interface managament lines).
Stanem aktywnym w standardzie GPIB jest zawsze stan niski.
Standard interfejsu VXI
(VMEbus Extension for Instrumentation) przeznaczony jest do sterowania i obsługi zautomatyzowanych,
modułowych systemów pomiarowych. Wykorzystywany może być w różnych dziedzinach, z pozoru tak odległych,
jak:
produkcja samochodów,
kontrola działania elektrowni jądrowych,
nadzorowanie lotu supernowoczesnych samolotów bojowych i ogromnych Jumbo-Jetów,
kontrola zanieczyszczeń środowiska,
nadzór nad złożonymi urządzeniami diagnostyki medycznej.
Magistrale komputerowe w
zastosowaniach pomiarowych
Oprócz opisanych powyżej interfejsów w systemach pomiarowych wykorzystuje się
również inne magistrale opracowane początkowo do innych zastosowań niż pomiarowe. Są
to uniwersalna magistrala szeregowa USB, magistrala szeregowa IEEE-1394 Fire Wire
9. oraz interfejs równoległy Centronics. Obecnie produkowane są, m.in. przez firmę National
Instruments, urządzenia wyposażone w wymienione magistrale, które mogą być użyte do
konstrukcji systemów pomiarowych.
Uniwersalna Magistrala USB
Uniwersalna magistrala szeregowa USB (ang. Universal Serial Bus) została
wprowadzona do komputerów w 1995 roku. Charakteryzuje się ona łatwą instalacją
dołączonych do niej urządzeń – dołączone do portu USB urządzenia mogą być z niego
zasilane oraz można je łączyć i rozłączać w trakcie pracy komputera. Magistrala USB
wykorzystuje kabel czterożyłowy, w którym są dwa przewody sygnałowe i dwa przewody
zasilania. Maksymalna szybkość transmisji to 12 Mb/s, a w wersji USB 2.0 480 Mb/s.
Zaletą magistrali jest łatwa rozbudowa – przy pomocy koncentratorów magistrala pozwala
na dołączenie do 127 urządzeń. Obecnie produkuje się wyposażone w magistralę USB takie przyrządy jak
moduły akwizycji sygnałów pomiarowych, moduł oscyloskopu, moduły
rejestracji temperatury czy też moduły wejść/wyjść cyfrowych.
Magistrala szeregowa IEEE-1394 Fire Wire
Magistrala szeregowa Fire Wire została wprowadzona przez firmę Apple Computer
w 1986 r. Magistrala służy do łączenia zarówno urządzeń domowych (cyfrowe kamery,
aparaty fotograficzne, magnetowidy) jak i urządzeń przemysłowych, w tym przyrządów
pomiarowych. Podobnie jak magistrala USB magistrala Fire Wire jest czteroprzewodowa
(dwa przewody sygnałowe i dwa przewody zasilana) oraz umożliwia dołączanie
i odłączanie urządzeń w trakcie pracy bez konieczności wyłączania zasilania. Maksymalna
liczba urządzeń dołączonych do magistrali wynosi 64. Szybkość transmisji wynosi do
3200 Mb/s dla magistrali w wersji IEEE1394b.
Interfejs równoległy Centronics
Interfejs równoległy Centronics wykorzystywany jest w komputerze do dołączenia
drukarki. Można go również wykorzystać do dołączenia urządzeń pomiarowych. Posiada
on 8 bitową równoległa szynę danych oraz kilka linii sterujących, które można również
wykorzystać do przesyłania danych. Maksymalna szybkość przesyłanych danych
w najnowszym trybie pracy interfejsu EPP (ang. Enhanced Parallel Port) i ECP (ang.
Enhanced Capability Port) wynosi do 500 kB/s.
BIBLIOGRAFIA:
