Обобщенная структурная схема виртуального прибора, отражающая обе архитектуры построения

Контрольная работа

Дисциплина:                                                                                                        ИТПД

Группа:                                                                                           18-ЭЗ    

Студент:                                                                                         Власов Д.И.   

Преподаватель:                                                                           Климова О.С.                   

 

1. Виртуальные информационно измерительные системы. Отличительные особенности виртуальных приборов. Архитектура построения виртуальных приборов:

Понятие «виртуальные приборы» появилось на стыке измерительной, информационной и компьютерной техники. Виртуальный прибор представляет собой комбинацию компьютера, универсальных аппаратных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения, которое, собственно, и определяет конфигурацию и функционирование законченной системы. По сути, в руках создателя системы имеется конструктор (набор), из которого даже не искушенный в компьютерных технологиях инженер или исследователь может построить измерительный прибор любой сложности. Теперь скорее требования задачи и соответствующее этому программное обеспечение, а не возможности прибора определяют функциональные характеристики законченного прибора.

   

В простейшем случае виртуальный прибор — это персональный компьютер в комплексе с соответствующим программным обеспечением и специальная плата сбора данных, устанавливаемая в него или внешнее устройство, подключаемое через LPT-порт, а также через современные внешние интерфейсы. Такими интерфейсами могут быть USB, RS-232, FieldBus, FireWire, IrDA, GPIB и т. д.

 

К отличительным особенностям виртуальных приборов по сравнению с микропроцессорными приборами относятся:

• обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, доступных для оператора, позволяющий решать широкий круг прикладных задач измерений (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т. д.);

• возможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям (например, сети Интернет);

• высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;

• возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости, а также составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;

• возможность оперативного использования различных устройств документирования результатов измерений.

 

Архитектура построения виртуальных приборов

Виртуальный прибор можно строить двумя способами: с последовательной или параллельной архитектурой.

В виртуальном приборе с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому всю соответствующую электронику размещают на слотах компьютера.

Виртуальный прибор с параллельной архитектурой содержит ряд параллельных каналов измерения, каждый из которых имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т. е. объединения сигналов). Подобный принцип построения виртуального прибора позволяет проводить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника иссле­дуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме.

Цифровая информация

Микропроцессорная система работает с цифровой информацией, которая представляет собой последовательность цифровых кодов.

В основе любой микропроцессорной системы лежит микропроцессор, который способен воспринимать только двоичные числа (составленные из 0 и 1). Двоичные числа записываются посредством двоичной системы счисления. Например, в повседневной жизни мы пользуемся десятичной системой счисления, в которой для записи чисел используются десять символов или цифр 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Соответственно в двоичной системе таких символов (или цифр) всего два – 0 и 1.

Необходимо понимать, что система счисления – это всего лишь правила записи чисел, и выбор типа системы определятся удобством применения. Выбор двоичной системы обусловлен её простотой, а значит надёжностью работы цифровых устройств и лёгкостью их технической реализации.

Рассмотрим единицы измерения цифровой информации:

Бит (от английского "BInary digiT" - двоичная цифра) принимает только два значения: 0 или 1. Можно закодировать логическое значение «да»» или «нет», состояние «включено» или «выключено», состояние «открыто» или «закрыто» и т.п.

Группа из восьми бит называется байтом, например 10010111. Один байт позволяет кодировать 256 значений: 00000000 – 0, 11111111 - 255.

Бит – наименьшая единица представления информации.

Байт - наименьшая единица обработки информации. Байт— часть машинного слова, состоящая обычно из 8 бит и используемая как единица количества информации при её хранении, передаче и обработке на ЭВМ. Байт служит для представления букв, слогов и специальных символов (занимающих обычно все 8 бит) или десятичных цифр (по 2 цифры в 1 байт).

Два взаимосвязанных байта называется словом, 4 байта – двойное слово, 8 байт – учетверённое слово.

Почти вся информация, которая нас окружает, является аналоговой. Поэтому, прежде чем информация попадёт на обработку в процессор, она подвергается преобразованию посредством АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Кроме того, информация кодируется в определённом формате и может быть числовой, логической, текстовой (символьной), графической, видео и д.р.

Например, для кодирования текстовой информации используется таблица кодов ASCII (от англ. American Standard Code for Information Interchange - Американский стандартный код для обмена информацией). Запись одного символа осуществляется одним байтом, который может принимать 256 значений. Графическая информация разбивается на точки (пиксели) и производится кодирование цвета и положение каждой точки по горизонтали и вертикали.

Кроме двоичной и десятичной системы в МС используют шестнадцатеричную систему, в которой для записи чисел используются символы 0...9 и A...F. Её применение обуславливается тем, что один байт описывается двухразрядным шестнадцатеричным числом, что значительно сокращает запись цифрового кода и делает его более читаемым (11111111 – FF).

 

                

Запись чисел в различных системах счисления.

 

Микроконтроллеры PIC

Контроллер периферийного интерфейса (PIC) – это серия микроконтроллеров, разработанная компанией Microchip. Микроконтроллер PIC быстрее и проще реализует программы, если сравнивать с другими микроконтроллерами, такими как 8051. Простота программирования и простота взаимодействия с другими периферийными устройствами делает PIC более успешным микроконтроллером.

                                                  

                                                       

 

PIC – это микроконтроллер, который также состоит из центрального процессора, ОЗУ, ПЗУ, таймеров, счетчиков, АЦП (аналого-цифровых преобразователей), ЦАП (цифроаналоговых преобразователей). Микроконтроллер PIC также поддерживает протоколы, такие как CAN, SPI, UART для взаимодействия с дополнительными периферийными устройствами. PIC в основном использует модифицированную гарвардскую архитектуру, а также поддерживает RISC (сокращенный набор команд). Благодаря этому PIC быстрее, чем контроллеры на основе ядра 8051, которые основаны на фон-неймановской архитектуре.

 

Микроконтроллеры AVR

Первые микроконтроллеры AVR были разработаны в 1996 году компанией Atmel (теперь часть Microchip). Проект AVR был разработан Альф-Эгилем Богеном и Вегаром Волланом, поэтому AVR аббревиатура получила две первые буквы от имен разработчиков: Alf-Egil Bogen Vegard Wollan RISC, после эта аббревиатура стала расшифровываться более официально как Advanced Virtual RISC. AT90S8515 был первым микроконтроллером в линейке AVR, хотя первым микроконтроллером, который попал на коммерческий рынок, был AT90S1200 (в 1997 году).

 

                                              

                                       

 

Микроконтроллеры AVR доступны в трех основных подсемействах:

TinyAVR: меньше памяти, небольшой размер, подходит только для более простых приложений.

MegaAVR: это популярные микроконтроллеры, в основном имеющие относительно большое количество памяти (до 256 КБ), большее количество встроенных периферийных устройств и подходят для довольно сложных приложений.

XmegaAVR: используются в коммерческих приложениях для решения сложных задач, которым требуется большая память программ и высокая скорость.

 

 

Микроконтроллер по сути является микросхемой, который состоит из:

· Центрального процессора. В него входят блок управления, регистры, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

· Периферии, которая включает порты ввода-вывода, контроллеры прерываний, таймеры, генераторы различных импульсов, аналоговые преобразователи и подобные элементы.

Зачастую микроконтроллер называют микропроцессором. Но это не совсем так. Последний осуществляет только определенные математические и логические операции. А в состав микроконтроллера входит и микропроцессор с другими элементами, являясь лишь частью МК.

 

PIC (Microchip). МК Гарвардской архитектуры. В его основе лежит архитектура с сокращенным набором команд, встроенная память команд и данных, низкое энергопотребление. В это семейство входят более 500 различных МК (8-ми, 16-ти, 32-битные) с различными наборами периферии, памяти и прочими характеристиками.

 

AVR (Atmel). Высокоскоростные контроллеры разработаны на собственной архитектуре. Основой контроллера является Гарвардский RISC-процессор с самостоятельным доступом к памяти программ и баз данных (Flash ПЗУ). Каждый из 32 регистров общего назначения может работать как регистр-аккумулятор и совокупность 16-битных команд. Высокая производительность в 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты обеспечивается за счет порядка выполнения команд, который предусматривает выполнение одной команды и одновременную подготовку к следующей. Для поддержания своей продукции компания Atmel выпускает бесплатную и качественную среду разработки Atmel.

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

Дисциплина:                                                                                                        ИТПД

Группа:                                                                                           18-ЭЗ    

Студент:                                                                                         Власов Д.И.   

Преподаватель:                                                                           Климова О.С.                   

 

1. Виртуальные информационно измерительные системы. Отличительные особенности виртуальных приборов. Архитектура построения виртуальных приборов:

Понятие «виртуальные приборы» появилось на стыке измерительной, информационной и компьютерной техники. Виртуальный прибор представляет собой комбинацию компьютера, универсальных аппаратных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения, которое, собственно, и определяет конфигурацию и функционирование законченной системы. По сути, в руках создателя системы имеется конструктор (набор), из которого даже не искушенный в компьютерных технологиях инженер или исследователь может построить измерительный прибор любой сложности. Теперь скорее требования задачи и соответствующее этому программное обеспечение, а не возможности прибора определяют функциональные характеристики законченного прибора.

   

В простейшем случае виртуальный прибор — это персональный компьютер в комплексе с соответствующим программным обеспечением и специальная плата сбора данных, устанавливаемая в него или внешнее устройство, подключаемое через LPT-порт, а также через современные внешние интерфейсы. Такими интерфейсами могут быть USB, RS-232, FieldBus, FireWire, IrDA, GPIB и т. д.

 

К отличительным особенностям виртуальных приборов по сравнению с микропроцессорными приборами относятся:

• обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, доступных для оператора, позволяющий решать широкий круг прикладных задач измерений (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т. д.);

• возможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям (например, сети Интернет);

• высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;

• возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости, а также составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;

• возможность оперативного использования различных устройств документирования результатов измерений.

 

Архитектура построения виртуальных приборов

Виртуальный прибор можно строить двумя способами: с последовательной или параллельной архитектурой.

В виртуальном приборе с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому всю соответствующую электронику размещают на слотах компьютера.

Виртуальный прибор с параллельной архитектурой содержит ряд параллельных каналов измерения, каждый из которых имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т. е. объединения сигналов). Подобный принцип построения виртуального прибора позволяет проводить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника иссле­дуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме.

Обобщенная структурная схема виртуального прибора, отражающая обе архитектуры построения

Взаимодействие между отдельными элементами виртуального прибора осуществляют с помощью внутренней шины компьютера, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, принтер, плоттер), так и измерительная схема, состоящая из коммутатора, АЦП и блока образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты. С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы; интерфейсный модуль ИМ подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Коммутатор устройства обеспечивает подачу аналоговых напряжений с внешних датчиков на узлы системы. Достаточно простые узлы виртуального прибора можно разместить на одной плате персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры виртуальных приборов, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе меняют архитектуру построения системы.

 

Основную роль в виртуальных приборах играют платы сбора данных с необходимыми метрологическими характеристиками для данной задачи, такими, как разрядность АЦП, быстродействие и динамические погрешности аналого-цифрового канала. При этом необходимо использовать быстрые и эффективные алгоритмы обработки измеряемой информации, разработать удобную программу сбора и отображения данных под наиболее распространенные операционные системы Windows 2000, NT, XP и т. д.

 

 

2.Виртуальный цифровой запоминающий осциллограф. Его достоинства:

Виртуальные цифровые запоминающие осциллографы (ВЦЗО) объединяют возможности аналогичных автономных осциллографов с гибкостью и удобством ПК, что позволяет эффективно автоматизировать измерительные задачи. При использовании устройств сбора данных для создания многоканального виртуального осциллографа сигналы записываются в файлы на жестком диске ПК.

Для измерения амплитудных и временных параметров исследуемого сигнала используется специальный курсор, который может передвигаться по изображению сигнала. В программе предусмотрено автоматическое вычисление среднего, среднеквадратического значений сигнала, отображение на экране минимального и максимального значений сигнала. Для более подробного наблюдения формы сигнала используется растяжка изображения, интерполяция (сигнал изображается непрерывной линией, а не точками), наложение масштабной сетки.

Достоинства цифровых осциллографов:

· высокая точность измерений;

· яркий, хорошо сфокусированный экран на любой скорости развертки;

· возможность отображения сигнала до момента запуска (в «отрицательном» времени);

· возможность детектирования импульсных помех между выборками сигнала;

· автоматические средства измерения параметров сигналов (что, в частности, позволяет автоматизировать настройку прибора в условиях неизвестного сигнала);

· возможность подключения к внешним регистрирующим устройствам (компьютеру, принтеру, плоттеру и т. д.);

· широкие возможности математической и статистической обработки сигнала;

· средства автодиагностики и автокалибровки.

 

Обычный цифровой осциллограф позиционируется как цифровой запоминающий осциллограф. Дисплей такого прибора относится к экрану растрового типа, в отличие от люминофорного экрана аналоговых запоминающих осциллографов

                                       

 

ЦЗО позволяют захватывать (регистрировать) и просматривать события не только периодические, но и однократные, например переходные процессы. Поскольку информация о сигнале существует в цифровом формате в виде последовательности сохранѐнных бинарных значений, эти значения можно легко анализировать, архивировать, распечатывать, либо обрабатывать каким-либо иным способом, как в самом осциллографе, так и во внешнем компьютере. В этом случае для сигнала нет необходимости быть непрерывным; сигнал может быть отображѐн на экране прибора даже тогда, когда сам он уже давно исчез. В отличие от аналоговых моделей, цифровые запоминающие осциллографы обеспечивают постоянное сохранение в памяти захваченной информации, разностороннюю обработку параметров и их анализ. Однако такие приборы не отображают градации яркости развертки сигнала в реальном времени, поэтому ЦЗО неспособны наглядно представлять изменяющиеся «живые» сигналы.

ЦЗО имеют архитектуру последовательной обработки информации от регистрации до вывода на экран исследуемых сигналов. Это означает, что входной сигнал, прошедший аттенюатор и усилитель системы вертикального управления, поступает на АЦП, который осуществляет последовательную с определенным шагом (временным интервалом) выборку значений исследуемого сигнала, преобразуя напряжение сигнала в этих точках в цифровые значения. Эти значения иногда называют элементами выборки (семплами), а весь процесс Рис. 1.6. Цифровой запоминающий осциллограф Tektronix TBS1064 14 - оцифровкой сигнала. Последовательность элементов выборки, полученная с АЦП, сохраняется в оперативной памяти прибора в качестве массива цифровых данных, описывающих форму сигнала. Система запуска осциллографа определяет момент пуска и останова процесса записи. Сигнальный тракт цифровых осциллографов включает в себя микропроцессор, который обрабатывает сигнал и управляет выводом данных на дисплей.