1.7.5. Встроенные измеритель­ные системы (виртуаль­ные приборы)

В современных измерительно-информационных системах могут исполь­зоваться десятки, а то и сотни, разнообразных датчиков, сложные алгорит­мами обработки сигналов, выделения, анализа и отображения в реальном масштабе времени информации, необходимой для выработки управляющих решений. Реа­лизация таких систем требует от вычислительных средств вы­сокого быстро­действия, больших объемов памяти, высокой скорости пере­дачи информации. Стандартные промышленные микроконтроллеры этим требованиям зачастую удовлетворить не могут и в иерархической системе локального управления обычно рассматриваются два варианта:

• Использование в качестве измерительных средств множества узкоспециа­лизирован­ных измерительных приборов, каждый из которых полностью отве­чает измерительной задаче и передает информацию на более высокий уровень.

• Объединение в единую сеть всех микроконтроллеров входящих в со­став системы управления, и использование их совокупного ресурса для создания мощной вычислительной системы.

О бщим недостатком этих решений являются как высокие начальные за­траты (приборы, коммуникационное оборудование, программное обеспече­ние), так и высокая стоимость любой модернизации системы, значительное время, необходимое на разработку и отладку нового программного обеспече­ния. Кроме того, если объект исследований или управления представляет со­бой достаточно динамичную систему, то из-за ограниченной скорости ин­формационного об­мена могут возникнуть существенные проблемы, связан­ные с организацией режима работы в режиме реального времени».

Во многих случае выходом является использование встроенных измери­тельных и измерительно-управляющих систем. Первоначально встро­енные измерительные системы (Data Acquisition System - DAQ) разрабатыва­лись как средство автоматизации сбора и обработки измерительной инфор­мации. Принцип их построения заключается в замене большого числа спе­циализированных измерительных приборов персональным компьютером (в офисном или промышленном исполнении), снабженного дополнительной много­канальной платой ввода/вывода, через которую может подключаться большое число разнообразных устройств, в том числе любые типы датчиков (рис. 31). На плате размещаются устройства согласова­ния сигналов, комму­татор сигналов, АЦП, ЦАП и специализированный процессор, который управляет режимами сбора информации (работой АЦП) и осуществляет предварительную обработку сигналов.

Полная обработка измерительной информации, осуществляется непо­средственно в ПК, который работает под управлением стандартной операци­онной системы (DOS, Windows, Linux, MacOS и др.). Отображение результа­тов измерений и органы управления системой отображаются на экране мони­тора, представляющего интерфейс пользователя. Таким образом вся измери­тельная система полностью (за исключением датчиков) размещается в персо­нальном компьютере и совместно с пакетом обработки информации, управ­ления и отображения информации рассматривается как многофункциональ­ный «виртуальный прибор». Включение такого виртуального прибора в об­щую систему управления и информационно-измерительный комплекс осу­ществляется стандартными сетевыми средствами и не представляет никаких проблем.

Платы ввода/вывода могут устанавливаться непосредственно на систем­ную шину компьютера При этом плата непосредственно работает с систем­ной шиной ПК, что вообще снимает вопросы о скорости передачи информа­ции, или подключаться через высокоскоростной последо­вательный или па­раллельный порт. В последнем случае плата обычно раз­ме­щается в отдель­ном модуле (рис. 1.32). Типичные платы имеют от 4 до 32 аналоговых входов, 12-ти, 14-ти или 16-ти разрядный АЦП с быстродейст­вием 50 кГц – 1 МГц , 2-16 цифровых входа и от 2 до 8 налоговых и цифро­вых выходов. Характе­ристики нескольких таких плат, из номенклатуры фирмы L-Card (Россия) представлены в Таблице 1.3..

Модель	L-780	E20-10	L-783
Количество каналов (дифференциальных/с общей землей)	16/32	8 / 4	4
Разрядность АЦП, бит	14 бит	24	14
Максимальная частота квантования, МГЦ	0,400	0,001	10
Диапазон входного сигнала, В	5,0 - 0,08	2,5	3,0, - 0,3
Тип процессора	ADSP 2185	AVR 2313	ПЛИС
Тактовая частота процессора, МГЦ	29,5 МГц
Скорость обмена с ПК, МГц	До 10 МГЦ
Количество каналов ЦАП	2		2
Количество цифровых каналов (вход/выход)	16 /16		16/16

Таблица 1.3. Характеристики плат ввода/вывода

Если необходима дополнительная аналоговая обработка сигналов или ко­личество входов/выходов превышает возможности одной платы, или требу­ется повышенное быстродействие по од­ному или нескольким каналам, то ис­пользуется крейтовая система, выпол­ненная в стандарте «Евромеханика», по­зволяющая работать с практически неог­раниченным количеством сигналов (Рис. 1.33). В стандартном крейте размещается от 2-х до 16-ти плат, установ­ленных на внутреннюю шину стандарта PXI (для сравнительно небольших систем) или VXI для систем с очень большим (до не­скольких тысяч) количеством измери­тельных каналов , в последних моделях и LXI. Он имеет собственный встроенный процес­сор, который обеспечивает согласован­ную

работу раз­мещенных в нем отдельных модулей, гальваниче­скую раз­вязку измеритель­ных цепей от корпуса. Связь с внешним компьюте­ром обычно осуществля­ется по сети Ethernet или через USB-2.0 порт. По ар­хи­тектуре подобная сис­тема представляет собой связанную трехуровневую систему, в которой ос­новные функции управления и обработки информации выполняются в пер­сональном компьютере. Причем сам крейт (или модуль) может располагаться как вблизи компьютера, так и непосредственно на объ­екте.

Высокая надежность ПК и отличные метрологические характеристики со­временных АЦП, ЦАП и встроенных плат ввода/вывода в целом, позволили использовать идеологию встроенных систем не только в научных исследова­ниях, средствах неразрушающего контроля, испыта-тельных комплексах, но при созда-нии систем автоматического управ-ления. Область применения встроенных систем - это управле-ние компактно расположенными и слож­ными техническими объекта-ми, в том числе на всех видах транспорта, в ма­лой энергетике, хи-мической промышленности, сред-ствах связи. Сегодня можно найти самые разно­образные платы для встроенных систем, р азличающиеся количеством и типом каналов ввода/вывода, ти­пом используемого процессора, на­личием гальванической развязки и т.п., что позволяет построить сис­тему с практически любыми воз­можностями. При наличии адекват­ных про­граммных средств виртуальный прибор может включать любые виды техни­ческих средств, независимо от их аппаратной и программной платформы, и использовать любые методы обработки сигналов и управления. Тем самым обычный ПК превращается в устройство с практически неограниченными функциональными возможностями (рис. 1.34).

Быстрое распространение и растущая популярность встроенных систем связана с комплексом их очевидных преимуществ:

• Гибкость и универсальность. - технические характеристики измеритель­ного комплекса зависят только от типа выбранной платы АЦП или крейта. Изменение задачи измерений или управления, модернизация системы управления потребуют минимальных материальных и времен­ных затрат.

• На рынке предлагается не только большой выбор различных плат ввода/вывода, но и соответствующих драйверов к ним, которые рабо­тают под управлением стандартных операционных систем.

• Программирование встроенных систем осуществляется на стан­дартных языках программиро­ва­ния высокого уровня, что по­зво­ляет использо­вать множество имеющихся библиотек обра­ботки сигналов. В итоге сущест­венно сокращаются сроки раз­ра­ботки прикладных программ, уменьшается стоимость про­граммного обеспечения.

• Для встроенных систем созданы мощные специальные про­граммные сред­ства, например, WindowsCVI, LabView, которые позволяют реали­зовать самые сложные сбора и алгоритмы обработки информации и создавать виртуаль­ные при­боры любой конфигурации.