CC BY
65
УДК 621.317.311:658.512.011.56
М.Н.Петров, Я.С.Белехов ПОСТРОЕНИЕ ИНТЕРФЕЙСА ВИРТУАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА
The article describes technique for building interface of the automated measuring complex using LabVIEW — graphical programming environment. The complex is intended for measuring static volt-ampere characteristics of the semiconductor devices. The advantage of using the LabVIEW for such applications is shown.
Введение
Проблемы создания программного обеспечения для PC, обеспечивающего обмен данными с внешними устройствами, визуализацию, математическую обработку и документирование этих данных, возникают в очень многих проектах. Такое программное обеспечение является естественной составной частью систем, предназначенных для проведения измерений, испытаний, контроля.
Для эффективного решения этой задачи требуется инструментальная программная среда, в которой пользователь мог бы одновременно создавать, перестраивать и непосредственно работать с системой.
Основная идея подобной среды программирования заключается в предоставлении пользователю возможности строить системы, оперируя графическими представлениями органов управления и отображения процессов, составляющих работу системы в целом. Для пользователя весь процесс работы в основном сводится к возможности задавать режимы измерения или управления работой через исполнительные устройства. При этом им используется информация о ходе работы, представляемая в цифровой или графической форме.
Создано множество подобных инструментальных сред на основе как текстового (Component Works, LabWindows/CVI, ATEasy, VIX Components и т.д.), так и графического программирования (LabVIEW, HP VEE, DASYLab, DIADem и т.д.) [1,2].
Ниже кратко изложена методика построения интерфейса с помощью одной из подобных программных сред на примере создания и отладки графического интерфейса для программно-аппаратного измерительного комплекса. В качестве программной среды использовалась наиболее популярная на сегодняшний день среда графического программирования LabVIEW от National Instruments [3].
Программно-аппаратный комплекс
Разработанный микропроцессорный измерительный комплекс предназначен для измерения статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) двухполюсных и трехполюсных полупроводниковых элементов [4]. По своим функциональным возможностям он является аналогом выпускаемого ранее измерителя полупроводниковых приборов Л2-56.
Аппаратная часть измерителя обеспечивает выполнение следующих функций:
— интерфейс измерителя с компьютером;
— управление отдельными измерительными блоками;
— проведение измерений статических характеристик двухполюсных и трехполюсных элементов.
Программная часть комплекса подразделяется на три составляющие:
— программы для управления блоками комплекса во время измерений;
— программы, управляющие самим измерителем, выполняющие дополнительную математическую обработку измерений и заносящие результаты в базу данных;
— программы для работы с результатами измерений в базе данных.
Первая составляющая выполняется на микропроцессоре, входящем в состав измерителя, остальные программы выполняются на управляющем компьютере. Практически все функции второй составляющей удалось реализовать средствами, входящими в состав Lab-VIEW [3,5-7].
Ниже представлена упрощенная структурная схема измерительного комплекса.
Рис.1. Структурная схема измерительного комплекса: 1 — персональный компьютер; 2 — микроконтроллер; 3,4 — управляемые источники входного воздействия; 4,5 — измерители тока; 7 — исследуемый элемент. Серым цветом изображены цифровые шины, а тонкими сплошными линиями — линии передачи аналоговых сигналов
В состав измерительного комплекса входит два управляемых источника сигнала. Первый из них (будем называть его коллекторным источником) используется при исследовании двухполюсных элементов и для подачи напряжения на коллектор (сток) в случае измерения параметров транзисторов. Второй источник сигнала (базовый источник) используется только при исследовании трехполюсных приборов для подачи воздействия на базу (затвор) транзисторов.
Коллекторный источник состоит из двух блоков: высоковольтного и низковольтного.
Высоковольтный блок построен по импульсной схеме на основе ШИМ-контроллера ХЬ494. Он работает в трех диапазонах напряжений:
— до 60 В — максимальный выходной ток 50 мА;
— до 300 В — максимальный выходной ток 10 мА;
— до 1500 В — максимальный выходной ток 2 мА.
Низковольтный блок работает в двух диапазонах:
— до 5 В — максимальный ток 10 А;
— до 15 В — максимальный ток 3 А.
Минимальное контролируемое напряжение низковольтного коллекторного источника — 50 мВ.
Базовый источник по схеме аналогичен низковольтному коллекторному источнику, но в отличие от него имеет выходной ток не более 1 А.
Построение интерфейса прибора
Благодаря направленности LabVIEW на задачи измерения и контроля удалось сформировать лицевую панель комплекса в виде классического стационарного прибора (рис.2.), понятном инженеру-электронщику любого уровня.
Графический подход к программированию, используемый в LabV^EW, позволяет сократить сложность и время программирования по сравнению с традиционными программными средствами (например, средой Delphy 6.0) в среднем в 10-15 раз [1,2].
Рис.2. Лицевая панель интерфейса микропроцессорного комплекса
В обычной объектно-ориентированной среде программирования мы имеем дело с объектом, действия и свойства которого задаем затем в обработчике. Программирование объекта производится в текстовом режиме, как правило, на одном из наиболее распространенных языков высокого (в крайнем случае низкого) уровня. Среднестатистический российский инженер-электронщик весьма далек от премудростей программирования на C++, Delphy или VisuaЮasic. Если же программная среда не предназначена для задач измерений и контроля, то объекты, с которыми работает программист, далеки от инженерной специфики. В итоге интерфейс получается мало пригодным для выполнения поставленных задач испытаний и контроля.
В случае графического программирования в LabVIEW ключевым понятием становится виртуальный инструмент (VI). Виртуальные инструменты — это блоки (иконки), из которых графически составляется в дальнейшем функциональная блок-схема будущего прибора. По сути дела, это функциональные узлы. VI обладают возможностями от простых логических функций до осциллографов и целых структур. Главное — правильно соединить VI между собой и задать, если это возможно, их параметры. Каждый VI — это автономный программный модуль, имеющий свои входы и выходы, свои панели настроек и свое графическое представление на лицевой панели будущего прибора, если это требуется (например, всевозможные переключатели, регуляторы, индикаторы и т.д.). Графические представления VI также имеют инженерно понятную форму (рис.2.). Под соединением VI понимается прокладка между ними каналов передачи данных, что несколько напоминает соединение элементов в электрических схемах.
Измерительный комплекс управляется с персонального компьютера. Наиболее про-
стой и дешевый способ общения компьютера и прибора — их соединение через последовательный порт RS-232. Для общения виртуальных приборов, создаваемых в Lab VIEW, с внешней средой в пакете имеется целая библиотека VI, позволяющих наладить связь программы с внешними устройствами как через стандартные порты компьютера, так и через специализированные PCI-платы, совместимые с LabVIEW. Для подключения к измерительному комплексу пришлось задействовать почти все имеющиеся инструменты ввода/вывода LabVIEW, работающие с последовательным портом. Использование таких VI позволяет избежать рутинного низкоуровневого программирования, характерного для традиционных программных сред.
Часто в подобных задачах возникает потребность в последующей математической (цифровой) обработке измеренных данных с целью сглаживания шумов или представления спектра сигнала. В традиционной программной среде это требует знаний высшей математики и множества строчек кода, если не имеется соответствующего математического (DSP) модуля. В LabVIEW эта проблема решается путем включения соответствующего VI в блок-схему прибора. При определенном включении можно говорить об обработке сигнала в реальном времени по мере поступления измеряемых данных. В LabVIEW имеется одна из самых обширных библиотек VI по математической обработке данных. Каждый подобный VI отвечает за определенный вид DSP-операций [6]. Не требуется глубоких знаний высшей математики, главное — правильно согласовать входные и выходные данные VI. В частности, в представленном интерфейсе реализована интерполяция измеренных ВАХ (с помощью кубических сплайнов) или их аппроксимация (с помощью нелинейной Лев-Мар аппроксимации).
Для последующего занесения результатов измерений в базу данных также используется соответствующий массив VI, предназначенный для работы с файлами.
1. Шарапов К.Ю. // PC Week/RE. 1997. № 16-17. С.54-62.
2. Руднев П.И., Шиляев С.Н. // Приборы и системы управления. 1999. № 3. С.22-24.
3. LabVIEW: User Manual. National Instruments Corporation, 2000. 272 p.
4. Петров В.Н., Петров М.Н. // Наука — производству. 2000. № 8. С.24-27.
5. Жарков Ф.П., Каратаев В.В. и др. Использование виртуальных инструментов LabVIEW: Учебный курс / Под ред. К.С.Димирчяна и В.Г.Миронова. М.: Солон-Р, Радио и связь, Горячая линия — Телеком, 1999. 268 с., ил.
6. LabVIEW Analysis VI: Reference Manual. National Instruments Corporation, 1994. 272 p.
7. Лабораторные работы средствами LabVIEW. Санкт-Петербургский электротехнический университет.
http://www.etu.ru/kafedrs/fet_eips/acni/labs.htm
