Poboljšanje merenja karakteristika radio-uređaja automatizacijom putem personalnog računara Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Trojan Parlić,

potpukovnik, dipl. inž. Vladimir Bukarica,

dipl. in'.

Tehnicki remontni zavod, Cacak

POBOLJSANJE MERENJA KARAKTERISTIKA RADIO-UREĐAJA AUTOMATIZACIJOM PUTEM PERSONALNOG RAČUNARA*

UDC: 621.396.6 : 004.382.7 : 005.6

Rezime:

U radu je prikazan sistem za merenje karakteristika radio-uređaja pomocu personal-nog racunara. Neophodni preduslovi za realizaciju ovakvog sistema su savremeni programa-bilni instrumenti sa standardizovanim interfejsima za povezivanje sa personalnim racuna-rom, personalni racunar i odgovarajuci softver koji omogucava jednostavno upravljanje in-strumentima, analizu, prezentaciju i arhiviranje rezultata. Takođe, prikazane su prednosti automatizovanog nacina merenja u odnosu na tradicionalni, i ispunjenje određenih zahteva iz standarda — sistemi menad'menta kvalitetom JUS ISO 9001:2001.

Kljucne reci: hardver, softver, virtuelni instrument.

IMPROVING MEASUREMENTS OF RADIO-DEVICE CHARACTERISTICS BY INTRODUCING AUTOMATION AND PCS

Summary:

A PC-based system for measuring radio-device characteristics is described in the study. Necessary prerequisites for the realization of such a system are state-of-the-art programmable instruments with standardized interfaces for PC connection, a PC and an adequate software enabling the control of instruments, analysis and data presentation and storage. The study also gives the advantages of automated measurement when compared to a traditional one as well as the fulfillment of certain requirements of standard JUS ISO 9001:2001 concerning quality management systems.

Key words: hardware, software, virtual instrument.

Uvod

Tehnički remontni zavod (TRZ) Cacak bavi se remontom sredstava naoruža-nja i vojne opreme KoV u Vojsci SCG. U okviru remonta sredstava veze i elek-tronike remont radio-uređaja (RU) zauzi-ma veoma značajno mesto. Zbog velikog broja različitih radio-uređaja, provera ka-rakteristika RU nakon remonta predsta-vlja složenu aktivnost koja uključuje slo-ženu, raznovrsnu i skupu mernu opremu. U TRZ Čačak remont RU je identifiko-

* Rad je saopsten na Nacionalnoj konvenciji o kvalitetu 2004. održanoj od 20. do 24. juna u Beogradu.

van kao proces u smislu standarda JUS ISO 9001:2001 (Standard). Proces remonta RU ima više faza: prijem (u skla-dište) u TRZ, dopremanje u remontni po-gon, defektacija, rasklapanje (na sklopo-ve i podsklopove), opravka, podešavanje, završno merenje karakteristika (i predaja kontroli kvaliteta), predaja u skladište i otprema (predaja korisniku). Jedna od najznačajnijih faza svakako je merenje karakteristika radi provere kvaliteta re-monta uređaja. Postoji potreba da se ova faza automatizuje radi podizanja na viši nivo i sprečavanja pojavljivanja neusa-glašenosti u ovoj fazi.

VOJNOTEHNICKI GLASNIK 6/2004.

603

Tradicionalni način merenja

Najčešće veličine koje se mere na-kon remonta RU su: tačnost frekvencije (na kanalu, frekvenciji), potrošnja ener-gije (u prijemu, predaji), osetljivost ure-đaja, merenje devijacije noseće frekvencije radio-predajnika, merenje VF izlazne snage, merenje NF snage, merenje odno-sa signal/šum i spektar izlaznog signala.

Postoji nekoliko vrlo važnih radnji pre svakog merenja. Neke od najosnovnijih radnji moguće je svrstati u slede}e grupe:

- izbor merne metode;

- pravilna upotreba merne metode i mernih instrumenata;

- zapisivanje podataka (zapisnik o merenju);

- prikazivanje rezultata merenja (iz-veštaj o merenju).

Navedene radnje definisane su u teh-ničkoremontnoj dokumentaciji (TRD) za svaki RU. TRD definiše mernu instrumen-taciju koju najčešće čine: signal-generator, digitalni multimetar (univerzalni instrument), digitalni fTekvencmetar (brojač frekvencije), katodni osciloskop, analizator spektra, merač VF snage, merač NF snage, merač modulacije, generator proizvoljnih talasnih oblika (ton generator), izvor stabi-lisanog napona i drugi. Radi merenja poje-dinih karakteristika (veličina) koriste se različite kombinacije ovih uređaja u razli-čitim režimima rada, različito međusobno povezani i razlicito povezani na RU.

Celokupni proces merenja je manu-elni, sa operatorom odgovornim za sve radnje u procesu merenja: kalibracija, povezivanje, podešavanje režima rada, izbor opreme, očitavanje i zapisivanje rezultata i izrada izveštaja o merenju (kon-trolno-mernog lista).

Ovakav način merenja je neprakti-čan i spor, zahteva mnogo instrumenata na radnom mestu, povećava mogućnost oštećenja instrumenata i RU zbog pogre-šnog povezivanja ili neodgovarajućeg re-žima rada, pogrešnog očitavanja ili po-grešnog zapisivanja rezultata merenja. Mogućnost nastanka greške je sve veća što je veći broj instrumenata koji uče-stvuju u merenju, odnosno veći broj veli-čina koje se mere.

U TRZ Čačak izvršeno je praćenje i analiza procesa merenja karakteristika radio-uređaja u pogledu mogućnosti po-jave grešaka pri merenju. Proučavanje mernih grešaka je početni korak u prona-laženju načina da se one što je moguće više smanje.

Pojam merna greška upotrebljava se u svim granama nauke. Svaka se od tih grana služi različitim mernim postupci-ma i pri tome koristi mnogobrojne merne uređaje. Jasno je, stoga, da se može na-praviti prilično veliki spisak uzroka koji dovode do mernih grešaka. Međutim, bez obzira na sve to, merne greške je moguće svrstati u tri grupe [1]: grube, sistematske i slučajne greške.

U tabeli su prikazane osnovne mer-ne greške i opisani neki uzroci grešaka iz kojih se mogu sagledati načini na koje se one mogu smanjiti ili eliminisati.

Iz tabele je uocljivo da je potrebno na nov način upravljati resursima (ljud-skim i infrastrukturnim) radi ispunjava-nja zahteva Standarda (tačka 6.2 i 6.3). Svakako najbolji način za to je proces merenja automatizovati i ulogu operatera zameniti računarom, a umesto klasičnih instrumenata koristiti tehnološki napred-nije programabilne instrumente.

604

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2004.

Merne greške

Grube greške Sistematske greške Slucajne greške

Greške metode i opreme Greške usled subjektivnih faktora i uticaja sredine

Uzroci: - nepažnja ispitivaca - neobucenost ispitivaca - neadekvatan izbor opreme - netacno zapisivanje i racunanje Uzroci: - pogrešan merni postupak - neispravna ili neverifiko-vana oprema Uzroci: - fizicki i psihicki nedostaci ispitivaca - promene parametara sre-dine Uzroci: - nepoznati faktori koji dovode do malih varija-cija prilikom merenja

Arhitektura savremenog

mernog sistema

Savremeni merni sistem podrazu-meva povezivanje radio-uređaja, mernih instrumenata i personalnog računara kao i realizaciju svih potrebnih veza.

Blok-dijagram instrumentacionog (mernog) sistema prikazan je na slici 1.

Uređaj za testiranje je proizvod ili komponenta koja se testira (u ovom slu-čaju RU).

Interfejs resursa sistema je mesto u mernom sistemu gde su svi signali od instrumenata raspoloživi. To je obično gru-pa konektora sa kablovima koji se vraća-ju nazad do instrumenata u sistemu. Ovi konektori signala su svi u jednom cen-tralnom mestu da bi omogućili lak pri-

Sl. 1 — Blok-dijagram hardvera sistema

stup uređaju za testiranje. Zbog jedno-stavnosti povezivanja uređaja ovaj resurs sistema nije iskorišćen.

Prekidački sistem je neophodan u in-strumentacionom sistemu radi usmeravanja (route) instrumenata na uređaj za testiranje. Prekidački elementi zastupljeni su zbog po-trebe ostvarivanja svih veza između instru-menata i instrumenata i radio-uređaja. Sig-nalni kablovi koriste se za povezivanje in-strumenta sa uređajem za testiranje.

Instrumenti 1 ... n su uređaji koji se koriste za tekuća merenja. Postoje tri glavna tipa instrumenata: merni, instrumenti za pobuđivanje (stimulaciju) i pre-kidački (za usmeravanje mernih i pobud-nih signala na uređaj za testiranje). U ovom slučaju instrument sa prekidačkom jedinicom ujedno je i prekidački sistin-strument/kontroler, a konekcija je deo sistema koji povezuje računar sa instru-mentima. Preko konekcije upravlja se in-strumentima i povratno dobijaju merni podaci. Postoji mnogo tipova instru-ment/kontroler sistema za povezivanje, od kojih su najpoznatiji: IEEE 488 bus, PC bus, VXI bus, PXI bus, USB, LAN connections i Ethernet. Kompjuter kon-troler je kompjuter koji upravlja instru-mentima (u ovom slučaju personalni ra-čunar). Jedinica za napajanje snabdeva naizmeničnim naponom instrumente i kontroler.

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2004.

605

Korisnik danas nije limitiran tipom instrumenata kojim upravlja, ukoliko iza-bere upravljačku tehnologiju standardi-zovanu u industriji. Mogu se koristiti in-strumenti različitih kategorija kao: serial, GPIB, VXI, PXI, computer - based instruments, Ethernet, SCSI, CAMAC i parallel port devices (imena kategorija se odnose na komunikacioni interfejs). GPIB komunikacija je najstarija i danas je podržana od svih najznacajnijih svet-skih proizvodaca mernih instrumenata.

Korisnicki interfejs

Programi testiranja

Drajver instrumenta

Drajver interfejsa (Л

instrumenta

Operativni sistem

Hardver kompjutera

Hardver interfejsa kompiutera CD

Instrument > "E CD

Uredaj za testiranje X

Operate г

Sl. 2 — Blok-dijagram veze softvera i hardvera

ANSI/IEEE Standard 488.1-1987, takođe poznat kao General Purpose Interface Bus (GPIB), opisuje standardni in-terfejs za komunikaciju između instru-menata i kontrolera različitih isporučila-ca. Sadrži informacije o električnim, me-haničkim i funkcionalnim specifikacija-ma. GPIB je digitalni, 8-bitni paralelni komunikacioni interfejs sa brzinom pro-toka podataka od 1 Mbyte/s i više, koji koristi trožični prenos (handshake). Ma-gistrala podržava jedan System Controller, obično kompjuter, i najviše 14 instrumenata. ANSI/IEEE Standard 488.2-1992

proširuje IEEE 488.1 tako što definiše komunikacioni protokol magistrale, opšti set kodova i formata podataka i generički set opštih komandi za uređaje.

Svi GPIB uređaji i interfejsi moraju imati jedinstvenu GPIB adresu između 0 i 30. Adresa 0 dodeljuje se GPIB inter-fejsu. Instrumenti na GPIB magistrali mogu koristiti adrese 1 - 30. GPIB ure-đaji mogu biti predajnici, prijemnici i kontroleri. Predajnici šalju poruke podataka, a prijemnici primaju poruke podata-ka. Kontroler, obično kompjuter, upra-vlja protokom informacija na magistrali. On defmiše komunikacione linkove i ša-lje GPIB komande uređajima. Najbolji način da se razume arhitektura softvera i veza sa hardverom je grupisanje softvera sa hardverom koji kontroliše (slika 2). Svaka hardverska komponenta na slici 1 upravljana je odgovarajućim softverskim nivoom. Na slici 2 ta veza je prikazana strelicama sa leve strane blokova. Tako, na primer, drajver instrumenta upravlja instrumentom.

Savremeni mikroprocesorski instrumenti sadrže „kompjuterski interfejs“ ko-ji omogućuje komunikacioni kanal izme-đu ugrađenog mikroprocesora i ekster-nog kompjutera. Softverski interfejs pre-ma instrumentu je u velikoj meri nezavi-san od hardverske konekcije zahvaljujući sledećim standardima: IEEE 488.2 i SCPI (Standard Commands For Programmable Instruments) i VISA (Virtuel Instrument Software Architecture). IEEE 488.2 opisuje sintaksu koju su instrumenti prihvatili. SCPI opisuje aktuelno značenje komandi formiranih koristeći IEEE 488.2 sintaksu. SCPI je u osnovi rečnik svih komandi i upita (queries) ko-

606

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2004.

je instrument treba da prepozna. Ključni deo SCPI je standardni model instrumen-ta koji omogućava konzistentni pogled instrumenta sa softverske tačke gledišta. Model instrumenta prikazan je na slici 2. SCPI komande za upravljanje instrumen-tom zasnovane su na onome što blok u modelu izvršava za datu funkciju. Instru-mentacioni model na slici 2 je najopštiji, i opisuje merne instrumente (gornji red) i instrumente za pobudu (donji red). Od ti-pa instrumenta zavisi koje će blokove in-strumentacionog modela sadržati određe-ni instrument i bliže se daje uputstvima proizvođača.

VISA je VXIplug&play I/O softver-ski jezik koji predstavlja osnovu za soft-versku standardizaciju VXIplug&play udruženja za sisteme. VISA sama po sebi ne omogućava programiranje instrume-nata, već predstavlja API (Application Programming Interface) visokog nivoa koji poziva drajvere na niskom nivou. VISA može upravljati VXI, GPIB, serial ili computer - based instrumentima i po-zivati odgovarajući drajver u zavisnosti od tipa instrumenta koji se koristi. VISA je biblioteka funkcija koju korisnik koristi za komumnikaciju sa VXI, GPIB, serial ili computer - based instrumentima.

Na slici 4 prikazana je struktura im-plementacije aplikacije. Programski jezi-ci (paketi) mogu se podeliti u četri grupe:

- klasični programski jezici: FORTRAN, C, Basic i dr.,

- objektno-orijentisani programski jezici: C++, Visual Basic,

- test/instrument-based jezici: ATLAS, Rocky Mountain Basic i dr.,

- programski paketi sa grafičkim pro-gramiranjem: VEE Pro, LabVIEW i dr.

ROUTE INPUT SENSED FORMAT^ CALC JLATE

LF

TERMlMALl TRlGER INTER FEdS

ROUTE ^ IMPUTESENSE c[fORMaT C calculate

Sl. 3 — SCPI model instrumenta

Sl. 4 — Implementacija aplikacije

Poslednja grupa olaksala je upravljanje instrumentima uvođenjem novih stan-darda za drajvere instrumenata (objedinju-ju drajver instrumenta i drajver interfejsa instrumenta). Aplikacije u ovim okruže-njima nazivaju se virtuelni instruments

Virtuelni instrument u

automatizaciji merenja

Pod virtuelnim instrumentom (VI) podrazumeva se kombinacija hardverskih i softverskih elemenata sa personalnim računarom kojima se ostvaruje funkcija klasičnog instrumenta. Virtuelni instrument je organizovan hijerarhijski i modu-larno. Hijerarhijskom i modularnom or-ganizacijom obezbeđen je koncept mo-dularnog programiranja. Komunikacija sa programabilnim instrumentima ostva-ruje se preko instrumentacionih drajvera. Instrumentacioni drajver predstavlja skup virtuelnih instrumenata preko kojih se komunicira sa instrumentom korišćenjem standardnih VISA (Virtual Instrument Software Architecture) I/O funkcija. Po-

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2004.

607

zvani drajver automatski šalje komande u vidu nizova karaktera koji odgovaraju određenom instrumentu.

Na slici 5 prikazana je osnovna struktura drajvera instrumenta za pro-gramski paket Lab VIEW. Osnovne ele-mente drajvera predstavljaju prednja plo-ča (Soft Front Panel) (slika 7) i blok-dija-

Sl. 5 — Opsti model drajvera instrumenta

tor panes) i može ih pozivati aplikacija višeg hijerarhijskog nivoa radi izvršava-nja određenih zadataka.

Komponente drajvera nižeg hijerarhijskog nivoa kao što su inicijalizacioni VI (Initialize VI), konfiguracioni VI (Configuration VI), akcioni (Action VI) i statusni VI (Status VI), VI podataka (Data VI), uslužni VI (Utility VI) i VI za za-vršavanje komunikacije (Close VI) me-đusobno se spajaju u jedan VI višeg hijerarhijskog nivoa i izvršavaju navedenim redosledom.

Na slici 7 prikazan je primer prednje ploče osciloskopa HP54645D koncipira-nog kao virtuelni instrument. Može se uočiti da na prednjoj ploči virtuelnog in-strumenta nisu predstavljene sve koman-de i funkcije pravog osciloskopa, već sa-

gram (Functional Body), kao izvršni program drajvera. Aplikacioni VI predsta-vljaju najviši nivo u hijerarhiji drajvera instrumenta. Oni su sacinjeni u G-blok dijagram-kodu, odnosno koristeći grafič-ko programiranje, mogu izvršavati konfi-gurisanje instrumenta ili merenje poziva-njem odgovarajućih VI komponenti ni-žeg hijerarhijskog nivoa. Aplikacioni VI predstavljeni su pomoću ikone sa odgo-varajućim priključnim poljima (connec-

Sl. 7 — Prednja ploca virtuelnog instrumenta

608

VOJNOTEHNICKI GLASNIK 6/2004.

mo one koje su od interesa za konkretnu aplikaciju. Takođe, moguće je izvršiti modifikaciju prednje ploče dodavanjem još jednog ili više ekrana na kojima se mogu posmatrati različite transformacije ulaznog signala.

Pomoću prikazanog softvera, kori-šćenjem virtuelnih instrumenata, odno-sno drajvera za klasične instrumente, osnovnih elemenata i struktura program-skog paketa LabVIEW može se napraviti aplikacija koja u potpunosti automatizuje proces merenja. Potpuno su jednoznačno određeni tip instrumenata, zadate veliči-ne, merna područja i podešenost instru-menata. Izrada izveštaja vrši se automat-ski. Na taj način eliminiše se mogućnost nastanka grešaka navedenih u tabeli.

Sistem za merenje

Na osnovu poznavanja veličina koje se zadaju i mere, kao i karakteristika mernih instrumenata i softvera, definisan je merni sistem koji se može koristiti za automatizaciju merenja na RU:

- generator signala HP 8648A, 100 kHz - 1000 MHz,

- osciloskop, digitalni, memorijski, HP54645D, 100 MHz (2 analogna i 16 digitalnih kanala),

- agilent 34970A Data Acquisiti-on/Switch Unit,

- agilent E3645A Power Suply (ili iz-vor stabilisanog napona IN 35/10 TRAV-NIK),

- agilent E4403B analizator spektra, 9 kHz -3 GHz,

- personalni računar sa Windows 98 OS, C programski jezik, LabVIEW pro-gramski paket, CEC 488 GPIB interfejs.

Svi instrumenti imaju GPIB interfejs i podržavaju softverske standarde za upravljanje instrumentima IEEE 488.21997, SCPI Version 1992.0 i VISA.

Izlazne datoteke i zapisi

Aplikacije formiraju izlazne datoteke sa odbircima izmerenih veličina koje se mogu „uvoziti“ u programe za dalju obra-du i prezentaciju, kao npr. Word ili Excel. Zapisi mogu biti i u vidu slike koja pred-stavlja izgled ekrana klasičnog instrumenta u jpg, bmp ili nekom sličnom formatu.

Na slici 8 prikazan je izgled ekrana analizatora spektra dobijen pomoću softve-ra Intui Link, što se može koristiti za izra-du kvalitetnijih zapisa. Osim slike, softver omogućava i prenos podataka o snimlje-nom signalu (ukupno 401 odbirak) sa in-strumenta na računar radi formiranja baze podataka. Na slici 9 prikazan je dijagram spektra signala dobijen od podataka sme-štenih u Excel tabelu. Pored podataka o iz-merenoj veličini u tabelu se smeštaju poda-ci o podešenosti instrumenta, modelu in-strumenta kojim je izvršeno merenje i nje-

Sl. 8 — Ekran analizatora spektra

VOJNOTEHNICKI GLASNIK 6/2004.

609

govom serijskom broju. Tabelami i grafič-ki način prikazivanja stvaraju osnovu za formiranje izveštaja (protokola) o ispitiva-nju radio uređaja.

Sl. 9 — Dijagram spektra signala dobijen iz Excel tabele

se odnose na aktivnosti menadžmenta, obezbeđenje resursa, realizaciju i merenje karakteristika proizvoda i procesa.

Automatizacija merenja, prikazana u radu, prožima više procesa iz Standar-da i obezbeđuje zadovoljenje zahteva iz tačke 6.2. (ljudski resursi), tačke 6.3. (in-frastruktura), tačke 7.6. (upravljanje ure-đajima za praćenje) i 8.2.4. (praćenje i merenje karakteristika proizvoda).

Iskustva iz automatizacije opisana u radu mogu se koristiti i za druge procese u okviru remonta sredstava veze i elek-tronike, kao i na druge faze u okviru pro-cesa vezanih za remont sredstava veze i elektronike.

Literatura:

Zaključak

Standard JUS ISO 9001:2001 podsti-če usvajanje procesnog pristupa radi ispu-njenja zahteva korisnika. Model sistema menadžmenta kvalitetom ukazuje na veze procesa neophodnih za taj sistem, a koje

[1] Grupa autora, 2003, IIS - SISTEM KVALITETA ISO 9001:2000, Istraživački tehnološki centar, Novi Sad.

[2] Drndarević, V., 2000, Akvizicija mernih podataka pomoću personalnog računara, Institut za nuklearne nauke Vinča, Beograd.

[3] Agilent Technologies 1999, Esa Spectrum Analyzers Measurement Guide.

[4] NI-VISA User Manual, 1998, Part Number 321074D-01.

[5] Mamula, V.: 1985, Merenja u elektronici, Mornaričkoteh-nička uprava, Beograd.

610

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2004.