CC BY
22
УДК 681.3.06
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Д.А. КОНОВАЛОВ*, Г.Г. ГУМАРОВ***, В.Ю. ПЕТУХОВ***, В.Л. МАТУХИН **, Г.И. ПЕТРОВ **, В.Ф. ВАЛЕЕВ*
* Казанский физико-технический институт КазНЦ РАН ** Казанский государственный энергетический университет *** Казанский государственный университет
В среде программирования Ьа^1вп> разработано программное обеспечение автоматизированного комплекса для исследования магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Программный комплекс предоставляет удобный, легко настраиваемый интерфейс для работы оператора установки, управляет работой прибора, осуществляет визуализацию данных в процессе измерительного цикла, а также накопление, предварительную обработку и сохранение данных.
Ключевые слова: магнитополяриметр, ЬаЬу1^, программное обеспечение, измерительный комплекс.
Введение
Работа любой автоматизированной измерительной установки требует соответствующего программного обеспечения. При его создании всегда встает проблема выбора среды программирования и обычно выбирается наиболее знакомая разработчику. Однако среда программирования должна соответствовать решаемой задаче [1]. При анализе различных систем программирования мы пришли к выводу, что в приложении к автоматизации исследований, где требуется взаимодействие компьютера с аппаратной частью исследовательских установок, оперативная визуализация процесса исследования и обработка полученных результатов, среда LabView предоставляет наибольшие возможности для разработчика. Система LabView освобождает от рутинного программирования и предоставляет удобный инструментарий для отладки приложения [2]. Она обладает большой гибкостью при изменении методики измерений, что весьма часто встречается в физических экспериментальных исследованиях.
Структура программного комплекса
Программа управления, сбора и обработки данных автоматизированного комплекса (рис. 1, 2) разработана в среде LabView. Под её управлением осуществляется развертка тока магнита, измерение величины магнитного поля, измерение интенсивности света, прошедшего через анализатор, визуализация
© Д.А. Коновалов, Г.Г. Гумаров, В.Ю. Петухов, В.Л. Матухин, Г.И. Петров, В.Ф. Валеев Проблемы энергетики, 2010, № 7-8
данных в процессе измерительного цикла, поворот гониометра (при исследовании азимутальных зависимостей), а также накопление, предварительная обработка и сохранение данных.
Рис. 1. Панель управления виртуального прибора
Рис. 2. Блок-схема программы автоматизированного комплекса
В процессе измерительного цикла программа с шагом 0,2 Э изменяет величину магнитного поля, действующего на образец, от - Нтах до + Нтах и
обратно до - Нтах. После каждого шага изменения тока через электромагнит
производится ввод N отсчетов величины магнитного поля и значения интенсивности света, затем накопленные массивы усредняются и на график выводится одна экспериментальная точка. Так как получение одного отсчета занимает конечное время, то, меняя количество накоплений N можно регулировать скорость развертки магнитного поля в зависимости от задачи. По завершении измерительного цикла в памяти формируется двухмерный массив, а на графике можно наблюдать зависимость интенсивности света, прошедшего через анализатор, от напряженности магнитного поля. При сильном зашумлении
экспериментальных данных можно провести несколько измерительных циклов (количество задается параметром Cycles). В таком случае в памяти формируется трехмерный массив. Соответствующие экспериментальные данные всех измерительных циклов суммируются. Полученный двухмерный массив, после коррекции (компенсации зависимости интенсивности света по закону Малюса) и нормировки, записывается в текстовый файл. В тот же файл записываются необработанные данные по всем измерительным циклам, а также параметры измерений «N», « Hmax », «Cycles» и «Азимут». Файл с именем, заданным в поле
«Sample» и дополненным текущими датой и временем, создается в каталоге, определяемом переменной Path.
Процесс измерения при больших значениях N, амплитуды развертки магнитного поля Hmax и Cycles достигает нескольких десятков минут. Для
удобства оператора на панель прибора выведены индикаторы хода выполнения программы, пройденного времени и оставшегося времени. Точка текущего отсчета на графике выделяется цветом и формой, что делает процесс измерения очень наглядным. После завершения каждого измерительного цикла данные, полученные в этом цикле, суммируются с данными предыдущих циклов, усредняются и выводятся на график сплошной линией. Благодаря этому в процессе измерения можно наблюдать результат циклического накопления (уменьшение шума) и при «пристрелочных» прогонах оценивать необходимое количество измерительных циклов.
При снятии азимутальных зависимостей до начала измерения можно повернуть столик гониометра на любой угол, кратный 0,9 градуса. После каждого поворота значение в поле «Азимут» увеличивается на величину угла, заданного в поле «Поворот на». После замены образца значение азимута можно обнулить кнопкой «Сброс».
Измерительный цикл (рис. 3). Измерительный цикл является ядром программы. Внутри этого цикла осуществляется развертка тока магнита, измерение величины магнитного поля, измерение интенсивности света, прошедшего через анализатор, визуализация, накопление данных и формирование индикаторов хода выполнения программы (последнее не показано на диаграмме).
Рис. 3. Блок-диаграмма измерительного цикла © Проблемы энергетики, 2010, № 7-8
На основании значения Hmax , введенного с панели виртуального прибора,
за пределами цикла вычисляется амплитуда развертки тока магнита "Hampl" в целочисленном представлении для ЦАП и значение "Kpoints" - общее количество отсчетов в цикле, "U zero" - отсчет АЦП с интегрального датчика Холла в отсутствии магнитного поля, "hlfc" - дескриптор платы ввода/вывода, N -количество накоплений в одной точке.
"Case Structure 1" формирует текущее значение для ЦАП, управляющего током магнита. Выбирается одна из четырех моделей в зависимости от необходимой полярности тока и нахождения на восходящей или нисходящей ветви развертки. Последовательность операций ввода/вывода определяется путем прохождения дескриптора "hlfc": сначала вывод в ЦАП ("Async Output.vi"), затем ввод отсчетов величин магнитного поля и интенсивности света ("Read H and I.vi").
После пересчета величины магнитного поля данные поступают на вход двух «Express VI», подготавливающих данные для отображения на графике «XY Graph». "Build XY Graph" формирует массив всех точек текущего цикла. Сброс графика происходит в начале первого цикла. "Build XY Graph2" готовит массив только из одной текущей точки, так как признак сброса установлен в «True». Третий массив, отображаемый на XY Graph, поступает из-за пределов цикла и состоит из усредненных данных, полученных в предыдущих циклах. Каждый из трех массивов отображается на экране разным стилем.
Подпрограммы комплекса
Сопряжение с платой L-780. При создании автоматизированного комплекса возникла задача обращения к универсальной плате ввода-вывода L780 из среды программирования LabView. К сожалению, с платой L780 не поставляется готовая библиотека для работы в этой среде.
Вместе с платой поставляется пакет программного обеспечения LComp [3]. Основной частью пакета является DLL-библиотека lcomp.dll; она представляет собой библиотеку функций, которая может быть использована совместно с большинством существующих систем программирования в среде Windows. Для обращения к этой библиотеке из среды LabView надо использовать враппер wlcomp.dll.
Для решения нашей конкретной задачи не требуется высокое быстродействие АЦП, ЦАП и цифрового регистра, а также не требуются потоковые «ввод и вывод». В библиотеке lcomp.dll есть универсальна функция IoAsync для асинхронных операций ввода/вывода (чтение данных с АЦП, вывод данных на ЦАП, работа с цифровыми линиями). Обращение к этой функции требует заполнения довольно громоздкой структуры DAQ_PAR. Было решено отказаться от использования этой функции и создать свою библиотеку для LabView на основе элементарных команд L780. Было решено также отказаться от громоздкой универсальной процедуры инициализации платы.
Инициализация выполняется несколькими обращениями к динамической библиотеке lcomp.dll. Ниже будут описаны процедура инициализации платы и библиотека виртуальных приборов LabView, реализующих асинхронные операции ввода/вывода.
DLL-библиотека lcomp.dll размещается в каталоге \Windows\System32\. Враппер wlcomp.dll помещают в каталог \Windows\System32\ или в рабочий каталог программы.
Инициализация платы (рис. 4). Инициализация осуществляется последовательными вызовами функций враппера. © Проблемы энергетики, 2010, № 7-8
LoadAPIDll:
S Параметр - полный путь к библиотеке lcomp.dll. S Возвращает - указатель на загруженную библиотеку. CallCreatelnstance:
S Параметры - указатель на загруженную библиотеку и номер слота, для которго создается объект.
S Возвращает - указатель на объект типа LUnknown или NULL в случае ошибки.
Тело программы
Выполняется, если плата обнаружена и в неё загружен БИОС
Of
Рис. 4. Блок-диаграмма инициализации платы L-780
OpenLDevice - функция открывает соответствующий линк драйвера для платы:
S Возвращает - дескриптор для работы с платой.
LoadBIOS:
S Параметр - имя файла прошивки БИОС без расширения.
S Возвращает - признак ошибки.
Далее, в случае отсутствия ошибок, выполняется тело программы. Работа с программой всегда должна завершаться вызовом функции CloseLDevice.
Библиотека асинхронных операций ввода/вывода L780-simple.llb. Состоит из четырех виртуальных подпрограмм:
• Async Input.vi;
• Async Output.vi;
• TTL Input.vi;
• TTL Output.vi.
Подпрограмма «Async Input.vi» (рис.5) служит для асинхронного ввода.
S Параметры - hIfc (дескриптор платы), Channel (номер канала АЦП), In Diff? (переключатель режима дифференциальный/не дифференциальный вход), Усиление.
S Возвращает - hIfc 2 (дескриптор платы), Data (отсчет АЦП).
С помощью функции PutWord_DM в зарезервированную ячейку внутренней памяти платы по адресу 8D5D (мнемоническое обозначение L_ADC_CANNEL_PLX) записывается управляющее слово для АЦП, сформированное из номера канала, режима входа и усиления. Далее функцией SendCommand посылается команда на асинхронный ввод одного отсчета. Функция GetWord_DM возвращает указатель на отсчет АЦП, считанный из зарезервированной ячейки внутренней памяти платы с адресом 8D5C (L_ADC_SAMPLE_PLX).
Рис. 5. Блок-диаграмма 8иЪУ1 Азупс 1при!у1 Остальные 8иЪУ1 реализованы аналогичным образом.
Пример использования Азупс Гпри1.у1. Модуль ввода отсчетов величины магнитного поля и значения интенсивности света (рис.6).
|Asyne Input .vi|
□
Рис. 6. Блок-диаграмма SubVI Read H and I.vi
N - количество накоплений. В цикле формируются два массива данных. После выхода из цикла модуль возвращает два значения - средние арифметические накопленных массивов.
Выводы
В среде программирования Labview разработано программное обеспечение автоматизированного комплекса для исследования магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Под её управлением осуществляется развертка тока магнита, измерение величины магнитного поля, измерение интенсивности света, прошедшего через анализатор, визуализация данных в процессе измерительного цикла, поворот гониометра, а также накопление, предварительная обработка и сохранение данных. Использование графической среды LabVIEW позволило значительно сократить время на разработку основных программных модулей системы, не затрачивая время на рутинное программирование. Программный комплекс предоставляет удобный, легко настраиваемый интерфейс для работы оператора установки.
Работа частично поддержана грантами по программе фундаментальных исследований Президиума РАН и по программе ОФН РАН «Физика новых материалов и структур».
Summary
The software for the computer-aided complex for the investigation of magnetic properties of ferromagnetic materials was developed in the graphical programming environment Labview. The program complex allows the convenient, easily attuned interface for an operation. This provides the simple operation control, the visualization of the data during a measuring cycle and also the curve accumulation, the first analysis of the results and the data storage.
Key words: magnetopolarimeter, Labview, software, measuring complex.
Литература
1. Дейкстра Э. Дисциплина программирования. М.: Мир, 1978. 276 с.
2. Тревис Дж. Lab VIEW для всех / Пер. с англ. Клушин Н. А., М.: ДМК Пресс, ПриборКомплект, 2005. 544 с.
3. Lcomp. Руководство программиста//Библиотека LCOMP под Windows 98/Me/2000/XP/XP(x64) и Vista. URL: http://www.lcard.ru/download/lcomp.exe (дата обращения: 03.01.2010).
Поступила в редакцию 16 февраля 2010 г.
Коновалов Дмитрий Александрович - главный специалист отдела телекоммуникационных технологий Казанского физико-технического института КазНЦ РАН. Тел.: 8 (843) 272-21-73. Email: [email protected].
Гумаров Габдрауф Габдрашитович - старший научный сотрудник лаборатории «Радиационная химия и радиобиология» Казанского физико-технического института КазНЦ РАН. Тел.: 8 (843) 520-29-92. E-mail: [email protected].
Петухов Владимир Юрьевич - заведующий лабораторией «Радиационная химия и радиобиология» Казанского физико-технического института КазНЦ РАН. Тел.: 8 (843) 231-91-01. E-mail: [email protected].
Матухин Вадим Леонидович - директор института электроэнергетики и электроники Казанского государственного энергетического университета.
Петров Геннадий Иванович - доцент кафедры «Физика» Казанского государственного энергетического университета.
Валеев Валерий Фердинандович - научный сотрудник лаборатории «Радиационная физика» Казанского физико-технического института КазНЦ РАН. Тел.: 8 (843) 272-12-41.
