CC BY
325Преимущества платформы РХ1 со встроенным программным обеспечением N1
для создания систем сбора данных и обработки сигналов
Перевод: Галит ГОРОДЕЦКАЯ
Повсеместное распространение персональных компьютеров на протяжении последних двадцати лет вызвало настоящую революцию в структуре аппаратного и программного обеспечения для автоматизированных тестовых, измерительных и испытательных комплексов. Одним из важнейших следствий такого широкого распространения персональных компьютеров является концепция виртуальных приборов, предлагающая инженерам, разработчикам и ученым целый ряд заметных преимуществ в производительности, точности и функциональности.
Введение в виртуальную измерительную технику
Виртуальный прибор состоит из стандартного компьютера или терминала, набора прикладных программ, платформы с набором модульных плат и драйверов, которые все вместе выполняют функции привычных измерительных приборов. Виртуальные приборы представляют собой принципиальный скачок от традиционных аппаратнозависимых систем к программируемым системам, использующим разнообразное программное обеспечение и обладающим обширными компьютерными ресурсами.
Фирма National Instruments (NI) предоставляет пользователям как аппаратные, так и программные средства для создания виртуальных приборов, выполняющих функции тестирования, измерения и управления. В их число
входят модули сбора данных PXI Express DAQ, снабженные функциями обработки сигналов (например, NI SC Express), и модули динамического сбора данных (DSA). Все модули выполнены в стандарте PXI и поставляются со встроенным программным обеспечением, таким как инструментальный драйвер NI-DAQmx, среда разработки приложений NI LabVIEW и программное обеспечение DIAdem для обработки данных и генерации отчетов (рис. 1).
Платформа PXI
Под именем PXI подразумевается программно-аппаратная платформа с открытой модульной архитектурой, базирующаяся на стандартных компьютерных технологиях и предназначенная для создания автоматизированных измерительных систем. Такая платформа обеспечивает самый широкий
из доступных в настоящее время диапазон измерений: от постоянного тока до частоты 26,5 ГГц при минимальном времени ожидания. Архитектура платформы PXI состоит из шины PCI (Peripheral Component Interface), надежного шасси CompactPCI, в которое устанавливаются модульные приборы, дополнительных специализированных шин синхронизации и базового программного обеспечения. Платформа PXI имеет программируемую конфигурацию и поддерживает более 1500 измерительных модулей. Свыше 70 мировых производителей аппаратуры выпускают приборы в стандарте PXI, которыми пользуются тысячи компаний во всем мире.
Шасси PXI
Шасси PXI представляет собой надежный модульный системный корпус и поставляется в конфигурациях, имеющих от 4 до 18 слотов со стандарными размерами 3U и 6U. Многие шасси PXI совместимы как с периферийными модулями PXI, так и с периферийными модулями PXI Express. Некоторые разновидности шасси этого типа, например NI PXIe-1075, имеют гибридные слоты и периферийные слоты PXI Express, так что в них можно использовать как периферийные модули PXI Express, так и периферийные модули PXI, совместимые с гибридными. Такие шасси позволяют легко наращивать модульную структуру платформы PXI в соответствии с потребностями пользователя.
Все виды шасси содержат высокопроизводительную объединяющую (системную) панель PXI, состоящую из шины PCI, шины
синхронизации и шины запуска. Эти шасси снабжены специальным тактовым генератором 10 МГц, шиной запуска PXI, звездообразной шиной запуска, а также межмодульной локальной шиной для обеспечения усовершенствованного тайминга, синхронизации и передачи на боковых полосах частот.
Шасси PXI Express, унаследовавшее все лучшее от платформы PXI, обеспечено дополнительными средствами синхронизации с дифференциальным тактовым генератором 100 МГц, дифференциальными каналами передачи данных и дифференциальной же звездообразной схемой синхронизации. Благодаря использованию дифференциальной синхронизации и стробирования, шасси PXI Express отличаются повышенной шумо- и помехозащищенностью, а также возможностью передачи сигналов на очень высоких частотах. Пользуясь шинами синхронизации и запуска этих шасси, инженеры могут разрабатывать измерительные системы с повышенными требованиями к точности синхронизации.
Контроллеры PXI
В большинстве разновидностей шасси PXI в крайнем левом их слоте размещается системный контроллер. Пользователь может выбрать наиболее подходящий для его нужд контроллер из следующих возможных типов: контроллеры для дистанционного управления от компьютера, терминала, сервера или ноутбука, высокоскоростные встраиваемые контроллеры под управлением OC Windows или любой OC реального времени.
Шины синхронизации и запуска PXI Express обеспечивают дифференциальную синхронизацию и дифференциальную передачу данных через объединяющую панель (рис. 2).
Встраиваемые контроллеры PXI
Встраиваемые контроллеры PXI располагают полным набором стандартных компьютерных ресурсов и поэтому полностью устраняют необходимость в применении отдельных внешних компьютеров. Такие контроллеры снабжены интегрированным процессором, жестким диском, ОЗУ, средствами подключения к Ethernet, видеовыходом, что позволяет подключать к платформе любые необходимые периферийные устройства, в том числе клавиатуру и мышь, имеют последовательный и USB-интерфейсы, а также ОС Microsoft Windows и полный набор заранее установленных драйверов для периферийных устройств. Встраиваемые контроллеры совместимы с платформами PXI и PXI Express, так что пользователь может выбрать наиболее подходящую для его целей операционную систему, включая Windows Vista/XP или LabVIEW Real-Time.
Встраиваемые контроллеры PXI обычно комплектуются из стандартных компьютерных компонентов и поставляются в виде
Шина запуска PXI
рис. 2. Схема шины PXI
небольшого модуля PXI (рис. 3). Контроллер NI PXI-8108, к примеру, снабжен двухъядерным процессором Intel Core 2 Duo T9400, работающим на частоте 2,53 ГГц, оперативной памятью DDR2 с объемом до 4 Гбайт, жестким диском и набором стандартных компьютерных периферийных портов, таких как высокоскоростной USB-2, Ethernet, параллельный и последовательный порты.
Дистанционные контроллеры PXI
Системами PXI можно управлять непосредственно с ноутбука посредством стандартных интерфейсов типа ExpressCard и PCMCIA, используя для этой цели специальные интерфейсные контроллеры NI ExpressCard MXI и PCMCIA CardBus. При запуске компьютер распознает все периферийные модули платформы PXI в качестве устройств PCI и управляет ими как своими собственными стандартными ресурсами. Набор подключения состоит из платы контроллера интерфейса ExpressCard/PCMCIA CardBus, подсоединенной к ноутбуку, и модуля PXI/PXI Express, вставляемого в слот № 1 платформы PXI, которые соединены между собой кабелем. Двухпортовый контроллер дистанционного управления
MXI-Express (рис. 4) одновременно управляет двумя платформами PXI с суммарной пропускной способностью шины 160 Мбит/с.
Периферийные модули PXI
Компания NI предлагает широкий спектр измерительных модулей PXI Express, включающий датчики механических нагрузок, натяжения, давления, момента силы, температуры, силы звука, вибрации и высокого напряжения. Пользователи могут строить разнообразные собственные измерительные системы, пользуясь великолепным набором, насчитывающим более 200 типов модулей PXI производства NI, среди которых можно найти платы сбора данных, переключатели, генераторы видеосигналов, источники синхронизации и т. д., совместимые со всеми стандартными типами шин. Поскольку более 70 мировых производителей выпускают свои приборы в стандарте PXI, то в целом более 1500 измерительных модулей могут быть использованы для работы с этой платформой. Платформа PXI в основном поддерживает интерфейс CompactPCI, поэтому в системах на основе PXI или PXI Express можно использовать многие из модулей CompactPCI со стандарными размерами 3U и 6U.
Языки программирования LabVIEW I LabWindows/CVI I C/C++1 C# I VB I VB.NET
Драйвер NI-DAQmx
PCI | PCI Express | PXI | PXI Express | USB | Ethernet | Wireless Шина сбора данных
Программное обеспечение и поддержка современных технологий
Обзор архитектуры ПО
Отладка и эксплуатация систем PXI, работающих под ОС Windows, ничем не отличается от работы с обычным компьютером, работающим в той же операционной системе. Это позволяет использовать для разработки приложений такие стандартные пакеты, как NI LabVIEW, LabWindows/CVI, Measurement Studio, Visual Basic и Visual C/C++. Кроме того, поскольку на объединяющей панели PXI применяется стандартная шина PCI, драйверы модулей PXI в большинстве случаев идентичны драйверам плат PCI. Пользователю нет никакой нужды дорабатывать свои прикладные программы, части кода или инструменты для разработки приложений, все они легко могут быть интегрированы в программное обеспечение систем PXI.
В качестве альтернативы системам, работающим на базе ОС Windows, можно использовать широкий спектр специализированных программных модулей, позволяющих запускать приложения пользователей под ОС реального времени для особо критичных задач, требующих заранее заданных скоростей работы без всякой периферии, то есть при полном отсутствии средств контроля со стороны оператора: без клавиатуры, мыши или дисплея. ОС реального времени позволяют решать задачи в соответствии с их приоритетом, когда процессор обслуживает прежде всего наиболее срочную задачу. Работая с такой ОС, пользователь всегда достигает предсказуемых результатов, при этом время джиттера минимально.
Драйвер NI-DAQmx поддерживает шинную технологию сбора данных в готовых интерфейсах прикладного программирования (API) и обеспечивает интерфейс с множеством языков программирования (рис. 5).
Простой и мощный драйвер NI-DAQmx
Драйвер NI-DAQmx представляет собой новейшую и усовершенствованную версию базового драйвера NI-DAQ, но отличается значительно улучшенными характеристиками. Этот драйвер предназначен для управления всеми возможностями измерительной системы: от этапа конфигурации системы и разработки приложений в среде LabVIEW до операций нижнего физического уровня и управления модулями. Драйвер NI-DAQmx совместим с базовым драйвером NI-DAQ и поддерживает весь диапазон измерительных устройств фирмы NI. С этим драйвером поставляется более 200 модулей DAQ, что делает их простыми в эксплуатации, гибкими при конфигурировании, высокопроизводительными и совместимыми с множеством сред разработки, включая NI LabVIEW, NI LabWindows/CVI, C/C++, Visual Basic 6.0 и C#/Visual Basic.NET.
Рис. 5. Драйвер NI-DAQmx
Простоту использования обеспечивают:
• программа подсказок для этапа конфигурации;
• виртуальные каналы NI-DAQmx;
• калибрация и масштабирование датчиков;
• Express Vis и интуитивные функции;
• запись данных в произвольной форме. Преимущества драйвера NI-DAQmx:
• оптимизация в мультиядерных системах;
• многоканальная синхронизация;
• усовершенствованные возможности запуска;
• возможности управления отдельными каналами;
• синхронизация «стимул - реакция». Драйвер NI-DAQmx поставляется с более
чем 160 стандартными программными модулями для текст-ориентированных языков программирования и с более чем 230 специализированными модулями для среды LabVIEW. Все модули снабжены драйвером высокоскоростного многопоточного режима работы. Для ускорения собственных разработок пользователь может интегрировать свои готовые программы в среду LabVIEW. Все модули, поддерживаемые драйвером NI-DAQmx, поставляются вместе со средством настройки Measurement & Automation Explorer (MAX), а также утилитами конфигурирования и тестирования, поддерживающими интерактивные тестовые панели, опорные диаграммы и виртуальные каналы (рис. 6).
Рис. 6. Использование программы подсказок
для конфигурирования виртуальных каналов NI-DAQmx
в программе настройки MAX
Программное обеспечение DAQmx предлагает формирование виртуальных каналов, применение которых особенно эффективно в задачах обработки измерений от датчиков, что позволяет разработчику без труда задавать требуемый вид сигналов и масштабировать выходные показания датчика для максимально точной передачи собранной информации на реальные физические устройства. Виртуальные каналы DAQmx могут также использоваться для решения следующих задач:
• Задание диапазона входных сигналов и параметров для дальнейшей обработки.
• Преобразование выходных данных с датчиков напряжения в форму, совместимую с реальными физическими устройствами.
• Настройка дополнительных функций, таких как автоматическая компенсация холодных концов (Cold-Junction Compensation, CJC), задание значений насыщения и коэффициентов усиления.
• Масштабирование по желанию пользователя.
• Настройка дополнительных задач для драйвера NI-DAQmx c учетом информации о синхронизации, запуске и тайминге.
Графическая среда разработки приложений LabVIEW
LabVIEW фирмы NI представляет собой графическую среду разработки для создания профессиональных инженерных и научных приложений, которая является интегральной частью виртуальной измерительной системы. LabVIEW располагает мощными средствами, позволяющими легко управлять как виртуальными приборами, так и прикладными программами. Используя средства LabVIEW, пользователь проектирует нужные ему виртуальные устройства, создавая графический пользовательский интерфейс на экране монитора, на который он может выводить собранные данные для их последующей обработки.
Пользователь может также кастомизировать виртуальные панели, снабжая их кнопками, ручками настройки, шкалами и окнами графиков, эмулируя панели управления стандартных измерительных приборов, или создавать свои собственные панели управления для вывода на экран графического отображения физических процессов.
В программном обеспечении NI-DAQmx содержится утилита DAQ Assistant — удобная программа пошаговых подсказок, позволяющая выполнять конфигурирование, отладку и программирование задач измерений. На рис. 7 изображен стандартный модуль LabVIEW, использующий средства DAQ Assistant для вывода на экран временной диаграммы при измерениях напряжений. Возможно также совместное использование программного интерфейса API драйвера NI-DAQmx и среды LabVIEW при создании приложений для высокопроизводительных измерительных систем, соответствующих индивидуальным требованиям пользователей.
LabVIEW Data Finder для создания пользовательских приложений, а также программное обеспечение DIAdem для обработки данных и генерации отчетов в автономном режиме. Средства платформы TDM, встроенные непосредственно в пользовательские программы, позволяют извлечь максимум полезной информации в наиболее удобной форме.
Заключение
Системы измерения и сбора данных PXI фирмы NI позволяют выполнять сбор и обработку сигналов в точном соответствии со спецификой конечного измерительного
прибора, что гарантирует высочайшую точность измерений пользователя. Модули, предназначенные для сбора сигналов и их обработки на платформе PXI, тесно синхронизированы с более чем 1500 различными модулями и совмещаются с разными типами шасси и конфигурациями контроллеров, позволяя поддерживать разнообразные пользовательские требования. Благодаря мощным и гибким программным инструментам NI-DAQmx, LabVIEW и средствам управления данными фирмы NI, пользователь получает возможность разрабатывать собственные программы сбора данных в соответствии с номенклатурой его приборов, внося в готовые модули индивидуальные способы записи и обработки данных. Если система содержит небольшой набор идентичных сенсоров или более 1000 каналов, выделенных для сенсорных драйверов, модульная платформа PXI и программное обеспечение фирмы NI динамически скорректируют конфигурацию для полного соответствия потребностям пользователя. ■
Литература
1. View SC Express Specifications and Pricing — http://www.ni.com/lp/sc-express.htm
2. PXI Express High-Performance Data Acquisition for Sensor Measurements — http:// zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/11057
Специальное программное обеспечение для сбора и обработки данных
Платформа TDM (Technical Data Management) фирмы NI предназначена для управления, анализа, записи, визуализации и генерации отчетов о больших объемах данных, полученных в ходе теста или моделирования. Эта платформа позволяет оперативно выделять значащие результаты из большого потока необработанных данных в требуемой пользователем форме. Платформа TDM поддерживает формат хранения данных TDMS (TDM Streaming), средство Data Finder, предназначенное для индексации данных, набор
