CC BY
104
Разработка комплекса заданий в среде графического
программирования LabVIEW с интерфейсом BNC-2120
Ю.В. Щербина,
д.т.н., профессор
А.Б. Мушаева,
студентка
Целью настоящей работы является освоение новых технологий разработки систем компьютерной обработки и сбора данных, а также применение методов графического программирования для проектирования цифровых систем автоматизации и управления.
Среда графического программирования LabVIEW [2] является удобным инструментом для программирования трех основных составляющих любого эксперимента - сбора, анализа и представления. LabVIEW и содержит следующие средства анализа данных:
- более 400 функций математической обработки: решение дифференциальных уравнений, методы оптимизации, интерполяции, линейной алгебры, статистического анализа и др.;
- Express ВП, специально разработанные для измерительного анализа, включая фильтрацию и спектральный анализ;
- ВП для обработки сигналов для фильтрации, установки окон, преобразования, регистрации пиков, гармонического, спектрального анализа и многое другое.
Для представления результатов среда LabVIEW содержит следующие средства:
- графики, диаграммы, таблицы, 3D-элементы, графические элементы, генерация отчетов;
- передача по Интернет - Web Publishing Tools, Data socket (Windows Only), Email VI Server.
Основой программирования в LabVIEW [1] является использование виртуальных приборов (ВП), сущность которых состоит в реа-
122
лизации программной модели некоторого реального средства обработки данных. При этом программной реализации подлежат не только органы управления (рукоятки, кнопки, индикаторы и т. д.), но и логика работы прибора.
Для достижения поставленной цели в данной работе были сформулированы следующие задачи:
1) освоение среды графического программирования
LabVIEW;
2) установка программного обеспечения для достижения связи между программой LabVIEW и интерфейсом BNC-2120;
3) изучение возможностей работы коннекторного блока BNC-2120 в среде графического программирования LabVIEW, а также в пользовательском приложении «Measurement & Automation Explorer»;
4) разработка практических заданий в приложении «Measurement & Automation Explorer»;
5) разработка практических заданий в среде графического программирования LabVIEW.
Описание особенностей архитектуры
Среда LabVIEW обеспечивает реализацию подпрограмм виртуальных приборов (ВП), которые позволяют конфигурировать, собирать и посылать данные на DAQ-устройства сбора данных. Часто эти устройства могут выполнять разнообразные дополнительные функции: аналого-цифровое преобразование, цифро-аналоговое преобразование, ввод/вывод дискретных сигналов и управление счетчиком (энко-дером). При этом каждое устройство имеет свой набор возможностей и обеспечивает определенную скорость обработки данных. Следует иметь в виду, что DAQ-устройства разрабатываются под конкретные цели с учетом аппаратной специфики платформ и операционных систем.
В коннекторном блоке BNC-2120 используется программное обеспечение, разработанное в среде LabVIEW, и аппаратура сбора данных фирмы National Instruments (NI) для создания виртуальной измерительной системы, обладающей функциональными возможностями традиционных измерительных приборов.
Обычно система сбора данных (DAQ-система) содержит следующие основные компоненты:
— Датчик — техническое устройство, которое преобразует физическую величину, такую как свет, температура, давление или звук в выходной электрический сигнал, например, в электрическое напряжение, ток или частоту, который может быть использован для дальнейшей обработки.
— Сигнал — результат первичного преобразования физической величины датчиком.
123
— Устройства промежуточного преобразования сигналов — технические приборы, которые могут быть подключены к датчику для того, чтобы увеличить точность измерений или уменьшить уровень шума. Основные виды промежуточного преобразования включают операции усиления, возбуждения, линеаризации, гальванической развязки и фильтрации полезного сигнала.
— Аппаратура DAQ — аппаратные средства, используемые для получения, сбора и обработки данных.
— Программное обеспечение — программные средства корпорации NI, специально разработанные для упрощения проектирования и программирования прикладных измерительных и управляющих систем, приложения для управления приборами и измерения сигналов.
На рис. 1 продемонстрирована компоновка DAQ-системы.
Интерфейс
BNC-2120
Источник
внешних
сигналов
Экран
монитора
Клавиатура
Рис. 1. Компоновка системы сбора данных
Лабораторная станция BNC-2120 спроектирована для работы в комплекте с высокопроизводительными многофункциональными модулями ввода/вывода компании National Instruments, устанавливаемыми в шину PCI компьютера. Эти модули поддерживают функции аналогового ввода (AI), аналогового вывода (AO), цифрового ввода/ вывода^Ю).
Инструментальный драйвер NI DAQ поставляется вместе с измерительными устройствами National Instruments и представляет собой обширную библиотеку функций и виртуальных приборов (ВП). Под измерительными устройствами подразумеваются устройства сбора данных (DAQ), например многофункциональные платы ввода/вывода.
Драйвер содержит интерфейс прикладного программирования, который представляет собой библиотеку ВП, функций, классов и свойств, применяемых при создании приложений с использованием устройства NI.
Драйвер NI-DAQmx содержит помощник сбора данных (DAQ Assistant), который обеспечивает графическую реализацию операций выбора датчика, а также настройки измерительных каналов и задач. Он обеспечивает увеличенную производительность на основе операций поточечного аналогового ввода/вывода и много поточечного режима
124
работы. Данный драйвер реализует упрощенный программный интерфейс создания DAQ-приложений с использованием меньшего количества функций и ВП и имеет расширенную функциональность в LabVIEW, включающую узлы свойств (Property Nodes)
Описание коннекторного блока NI BNC-2120
Функциональные возможности измерительных приборов в BNC-2120 реализованы на основе многофункционального устройства ввода-вывода (DAQ), настольной рабочей станции и программ, разработанных в среде LabVIEW.
Настольный компьютер и DAQ-устройство (модуль ввода-вывода) образуют завершенную лабораторную установку. При этом компьютер обеспечивает подключение исследуемых объектов и определяет функциональность лабораторной установки. На панели управления расположены простые органы управления функциональным генератором и энкодером, а также удобные средства подключения различных датчиков - BNC-разъемы.
В табл. 1 приведено описание разъемов BNC, расположенных на передней панели интерфейса BNC-2120.
Таблица 1
Описание разъемов интерфейса BNC-2120
Разъемы передней панели BNC Описание сигнала
AI <0..1> Каналы 0 и 1 входного дифференциального сигнала
AI <2..7>\AO <7..2> Каналы с 2 по 7 входного дифференциального сигнала или выходного сигнала с 7 по 2
AO <1..0> Каналы 1 и 0 сигнала выхода
PFI 0\AI START TRIG Программируемая функция входного сигнала 0 — в качестве входного сигнала этот разъем является либо одним из PFI, либо источником для защелки технического обеспечения. В качестве сигнала выхода — это защелка входного сигнала
USER <1...2> Пользовательские разъемы 1 и 2 — подключенные к цифровым терминалам USER 1 и 2. Этот разъем позволяет использовать разъем BNC для передачи цифрового сигнала или синхронизации сигналов входа/выхода
Внешний вид верхней панели управления коннекторного блока BNC-2120 показан на рис. 2.
125
Рис. 2. Внешний вид передней панели управления коннекторного блока BNC-2120: 1 — винтовые клеммы для подключения резистора; 2 — разъем для термопары; 3 — BNC-разъемы; 4 — объект регулирования функциональным генератором; 5 — индикатор мощности; 6 — энкодер (счетчик); 7 — пользовательские входы; 8 — цифровые входы/выходы
126
Чтобы снять значение температуры, на терминалах AI 0/AI 1 необходимо установить переключатели рода работы в положение термоэлемента (Thermocouple, Temp. ref.). Эти переключатели располагаются над BNC-разъемами сигналов AI 0/AI 1 соответственно. Датчик температуры обеспечивает измерение с точностью до ±1,5° С. Разъем термопары предназначен для подключения любого типа термопар с двузубчатым мини-разъемом. В нашей работе, используется термопара TP-01 A, К-типа, измеряющая температуру в пределах от 50-200° С.
Коннекторный блок BNC-2120 имеет разъемы для измерения активного сопротивления. На рис. 3 представлено схематическое изображение, схемы подключения сопротивления.
Рис. 3. Схема подключения сопротивления
Клемма RES+ подключена к каналу входного сигнала AI3 и Vcc, а клемма RES - соединена с каналом входного сигнала AI 11 и GND.
Функциональный генератор генерирует синусоидальный/ треугольный и TTL-совместимый прямоугольный сигнал. Кроме того, прибор дает возможность регулировать постоянную составляющую сигнала, осуществлять развертку сигнала по частоте, формировать сигналы с амплитудной (АМ) и частотной (ЧМ) модуляцией.
PFI input - вход с программированной функцией (Programmable Function Input). Сигналы, подаваемые на такие входы от внешнего источника, могут служить сигналами синхронизации операций аналогового и цифрового ввода и вывода или входными сигналами счетчиков.
PFI Output - выход с программируемой функцией вывода. На подобные выходы могут быть направлены различные сигналы внутренней синхронизации аналогового и цифрового ввода/вывода, а также выходные сигналы счетчиков. Эти выходы также можно использовать в качестве статических цифровых выходов.
127
Табл. 2 содержит описание цифровых каналов, расположенных на передней панели блока.
Таблица 2
Описание цифровых каналов, расположенных на передней панели
Название сигнала Направление Описание
PFI <1...9> вход Программированная функция сигнала
D GND Обеспечивает прием цифровых сигналов в разъеме входа/выхода
CTR 1 OUT выход Выход PFI или статический цифровой выход
FREQ OUT выход Выход PFI или статический цифровой выход
+5 V Выход источника питания 5В
USER <1...2> Пользовательские каналы
PO <7...0> Цифровые каналы входа/выхода могут контролировать усиление/ослабление сигнала универсальных счетчиков
BNC-2120 содержит механическую схему счетчика (энкоде-ра), которая производит 96 импульсов на один оборот. Два канала выхода, CLK и UP\DN, находятся в терминалах, расположенных ниже кнопки счетчика.
Канал CLK содержит цепочку импульсов, порожденных вращением регулятора. Он передает 4 импульса за 1 механический щелчок регулятора. UP\DN производит высокий или низкий сигнал, указывая на направление вращения. Если направление против часовой стрелки, сигнал UP\DN низкий. Если направление по часовой стрелке, сигнал UP\DN высокий.
Два разъема BNC для пользователя USER 1 и USER 2 подключаются к смежным терминалам. Эти каналы входа и соответствующие им BNC разъемы предоставляют возможность выбора одного сигнала, и работы с ним с помощью разъемов BNC. Клемма GND является указателем для данных разъемов BNC.
BNC-2120 содержит 8 цифровыхлиний, PO <0...7>, которые формируют цифровой (DIO) порт. GND-контакт линии заземления для цифрового порта. Каждую из линий можно независимо настроить на генерацию или прием.
На рис. 4 показаны линии PO <0...7> с различным включением, иллюстрирующие примеры использования цифровых сигналов.
1-PO.0 сконфигурирована по схеме с открытым коллектором, генерируя цифровой сигнал для управления светодиодом (LED 0).
128
2- PO.2 сконфигурирована по схеме активного управления, генерируя цифровой сигнал, управляющий светодиодом (LED 1).
3- PO.4 сконфигурирована для ввода ТТЛ сигнала, поступающего из инвертора со схемой совпадения.
4- PO.7 сконфигурирована для ввода цифрового сигнала, поступающего с переключателя.
Рис. 4. Примеры использования источников и приемников дискретных сигналов
По умолчанию цифровые порты BNC-2120 настроены на работу с открытым коллектором, позволяющие оперировать с напряжением 5В с помощью встроенного нагрузочного резистора сопротивлением 4,99 кОм. Для увеличения рабочего тока в линии до 8,5 мА можно добавить внешний нагрузочный резистор, как показано на рис. 5.
Рис. 5. Пример соединения внешнего нагрузочного резистора
129
Панель устройства диагностики MAX
Приложение Measurement & Automation Explorer (МАХ) позволяет настроить программное и аппаратное обеспечение National Instruments (NI), запустить систему диагностики, добавить новые каналы и интерфейсы и наблюдать подсоединенные устройства и приборы. Оно устанавливается в процессе установки драйвера NI. При использовании NI-DAQ необходимо использовать MAX для настройки DAQ-устройств. Запустить MAX можно через иконку на рабочем столе или выбором пункта главного меню Tools»Measurement & Automation Explorer непосредственно в среде LabVIEW.
MAX необходимо запускать после установки DAQ-устройства на компьютер. Утилита конфигурации считывает информацию из реестра Windows, записанную диспетчером устройств (Device Manager), и присваивает логическое имя для каждого DAQ-устройства. По логическому имени среда LabVIEW распознает DAQ-устройство. Главное окно конфигурационной утилиты MAX показано на рис. 6.
JSjx]
hiis^h— | | $ Show Help
a g С al-а fjr- ahh г hood э q1 > =г d Interfaces : Scales El 5] n = - National Instruments Measurement & Automation Explorer “1
glU №> Tasks Elfll 1C» ' (±1-45 Kelnule hyslwln» What is Measurement & Automation Explorer? Measurement & Automation Explorer (MAX) provides access to your National Instruments
What do you want to do? Hr Млпяпр ти devices end interfaces Я Млплпр m.f installed National Instruments software 9 Manama virtual channels nr tasks fnr mv davimas •А ГгряГр sralps fnr mv virtual instruments 1ЙТ rnnfinurp mil TWT instrument ririvprs Imnnrt/fixnnrt mv disvinie nnnfinuratinn file. Note Some categories are device specific. For example, the IVI category appears only if you have IVI installed. For more information, select available help categories from the Help menu. If you need further assistance or want to know more about vour device, visit the National Instruments Technical Sunnnrt Weh site.
Submit feedback on this tooic
f Help |
A
Рис. 6. Главное окно конфигурационной утилиты MAX
Параметры устройства можно также установить с помощью утилит-конфигураций, входящих в комплект поставки устройств.
Measurement & Automation Explorer позволяет сохранить логическое имя устройства и параметры конфигураций в реестр Windows. В правой части окна расположена панель Configuration (рис. 7), в которой в виде дерева показаны составляющие системы, с которыми работает MAX:
130
MySystem - локальный компьютер.
Data Neighborhood (виртуальные каналы). Дает возможность доступа к виртуальным каналам (именованным и заранее настроенным физическим). Вы можете создать и сконфигурировать виртуальный канал, вызвать тестовую панель, скопировать, удалить.
Devices and Interfaces (устройства и интерфейсы). Содержит список установленных и опознанных системой физических устройств: DAQ, Field Point, GPIB, IMAQ, IVI, Motion, VISA, VXI и т.п. Вы можете настроить существующие устройства, добавлять не найденные системой и удаленные устройства. Кроме того, вкладка Devices and Interfaces содержит панели тестирования, дополнительные утилиты самопроверки и самокалибровки для настройки и тестирования устройств.
Seif-Test (самопроверка). Утилита Self-Test запускает внутренний тест устройства сбора данных с тем, чтобы убедиться, что все ресурсы назначены должным образом и что устройство сконфигурировано правильно.
Test Panei (панель тестирования). Проверяет функциональные возможности аналогового и цифрового ввода/вывода, а также вво-да/вывода сигналов счетчика устройства сбора данных. Используйте утилиту для проверки функционирования устройства или настройки системы непосредственно из NI-DAQmx. Если устройство не работает в режиме тестирования, то оно не будет работать и в LabVIEW. Если у вас возникли проблемы со сбором данных при программировании в LabVIEW, начните поиск неисправности с запуска утилит самопроверки и панели тестирования.
Reset (возврат в исходное состояние). Возвращает DAQ-устройство в исходное состояние, принятое по умолчанию.
Properties (свойства). Позволяет настроить и просмотреть конфигурацию RTSI и дополнительных устройств, используемых совместно с DAQ-устройством. Системные ресурсы, занимаемые устройством, такие как область памяти и запрос прерывания, отображаются во вкладке Attributes в правой части окна настройки в MAX.
Seif-Calibration (самокалибровка). Производит внутреннюю калибровку устройства сбора данных.
Scales (шкалы). Для более удобной работы с датчиками имеется возможность создать шкалу соответствия сигнала, получаемого с датчика, измеряемой датчиком величине. Шкала может быть линейной, задана полиномом или таблицей. Вы можете добавлять новые, удалять, просматривать и изменять свойства шкал.
DAQAssistant (помощник по сбору данных). Используется для создания произвольных шкал, которые можно применить к существующим виртуальным каналам. Для того чтобы не перепутать шкалы, каждый из них может иметь свое собственное имя и описание. Произвольная шкала может иметь один из следующих типов:
131
Linear - Линейный. Шкала определяемая формулой: y = kx + b. (1)
Map Randges - соответствие диапазонов. Шкалы, при которых диапазон масштабируемых значений пропорционален диапазону необработанных значений пропорционален диапазону необработанных значений.
Polynomial. Шкала, определяемая формулой: y= a0 + a■x+a2x2 +... + an-xn. (2)
Table - Табличный. Шкала, в которую вводится необработанное значение и соответствующее ему масштабируемая величина в формате таблицы.
Software (программное обеспечение). Здесь представлен список программного обеспечения National Instruments, установленного на компьютере. Вы можете просматривать, запускать и посредством Интернет обновлять программное обеспечение.
Remote System (удаленные системы). Обеспечивают подключение по сети других компьютеров или устройств, при этом можно просматривать список удаленных систем, и конфигурировать некоторые их свойства.
Модуль подключения DAQ-устройств
Среда LabVIEW включает в себя набор подпрограмм ВП, позволяющих конфигурировать, собирать и посылать данные на DAQ-устройства. DAQ-устройства могут выполнять разнообразные функции:
- аналого-цифровые преобразования (АЦП);
- цифро-аналоговые преобразования (ЦАП);
- управление счетчиками.
Каждое устройство имеет свой набор возможностей и скорость обработки данных.
Подпрограммы сбора данных (DAQ-устройства) размещены в палитрах Function>>Measurement I/O>>Data Acquisition и Function>>Measurement I/O>> DAQmx - Data Acquisition. В разделе Data Acquisition собраны стандартные ВП сбора данных, а в DAQmx - Data Acquisition - DG для работы с NI-DAQmx.
В палитре DAQmx - Data Acquisition содержатся все необходимые подпрограммы для осуществления операций аналогового и цифрового ввода/вывода и работы со счетчиками/таймерами. ВП собраны таким образом, что большинство задач могут быть решены с их использованием. Можно настроить ВП для выполнения специфического действия с помощью узла атрибутов. Многие задания, не требующие расширенных возможностей и синхронизации, можно осуществить с помощью экспресс-ВП DAQmx Assistant. Рассмотрим, как использовать DAQmx Assistant для выполнения операции сбора данных.
132
Экспресс-ВП DAQmx Assistant позволяют просто осуществить настройку DAQ-устройства. При добавлении экспресс-ВП DAQmx Assistant появляется диалоговое окно (рис. 7), в котором осуществляется конфигурация задания - провести определенные измерения. В процессе создания локального задания указывается необходимый тип измерения.
Рис. 7. Диалоговое окно NI-DAQ Assistant
Один раз создав задание, информация о нем сохраняется в экспресс-ВП DAQmx Assistant. Впоследствии можно сконфигурировать экспресс-ВП заново, дважды щелкнув по нему мышью.
Операции аналогового ввода используются для измерения различных сигналов: напряжения, температуры, деформации, тока, сопротивления или частоты. Каждый тип измерений имеет собственные параметры, например, величина сопротивления для измерения тока или калибровка датчика температуры для их измерений.
Установление периода дискретизации может осуществляться по-разному: получение одного значения, получение n значений или непрерывный сбор данных.
Получение одного значения является операцией по вызову. При этом DAQmx оцифровывает одно значение входного сигнала и немедленно возвращает его величину. Выполнение этой операции не требует наличия буфера и аппаратного контроля временного такта.
Получение n-значений реализуется на основе аппаратного задания временного такта выполнения операций, в процессе которого
133
используется буферизация полученных данных в компьютерной памяти, что приводит к более эффективному процессу сбора данных. С программной точки зрения необходимо включить режим аппаратного задания временного такта выполнения операций и задать частоту оцифровки sample rate и ограниченный по времени режим работы sample mode (finite). Возможна оцифровка нескольких значений из одного канала или из нескольких.
Непрерывный сбор данных обеспечивается заданием режима работы sample mode (continuous).
Когда устройство, управляемое DAQmx, работает, то оно совершает два наиболее часто встречающихся действия - обработку значений и начало сбора данных. Каждое производимое действие DAQmx обеспечивается в результате синхронного запуска либо по команде Start Trigger, (начать сбор данных), либо Reference Trigger (установить реперную точку в наборе входных значений). Данные, полученные от этой точки, называются pretrigger data, а данные после реперной точки - posttrigger data.
Выводы
В процессе выполнения работы была обоснована ее актуальность и сформулированы основные предпосылки ее проведения. Составлено подробное описание основных компонентов измерительных систем (интерфейс BNC, среда LabVIEW, тестовое приложение MAX); разработан комплекс заданий с использованием интерфейса BNC-2120; выполнен обзор палитры и инструментов LabVIEW; составлена библиотека функций, использующихся при разработке заданий в среде графического программирования LabVIEW. На основе проделанной работы можно сформулировать следующие выводы:
1. Коннекторный блок BNC-2120 представляет собой многофункциональный прибор, осуществляющий операции аналогового и цифрового ввода/вывода и операций со счетчиками.
2. MAX является основным конфигурационным и тестовым приложением.
3. Виртуальный прибор Экспресс-ВП «DAQmx Assistant» позволяет существенно повысить удобство настройки DAQ-устройств и проведение измерений.
Библиографический список
1. СурановА.Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям. -М. : ДМК Пресс, 2007. - 536 с.
2. Щербина Ю.В. Технические средства автоматизации. Методы компьютерных измерений и цифровой обработки данных в среде LabVIEW : учеб. пособие / Ю.В. Щербина; Моск. гос. ун-т печати. - М. : Изд-во МГУП, 2008 - 98 с.
134
