1 Komputerowe systemy pomiaroweWykład I
2
3 Niektóre slajdy pochodzą z prezentacji:
4
5
6
7
8 Ogólna definicja pomiaru:Pomiar polega na porównaniu stanu wielkości mierzonej A, z innym stanem tej wielkości Awz, uznanym za stan wzorcowy. Obiekt pomiaru Ax Pomiar Awz Wzorzec Dokładność pomiaru nie może być lepsza niż dokładność wzorca. Poziom dokładności pomiaru lub dokładność w odtwarzaniu stanu wzorcowego mierzonej wielkości wyraża się przez niepewność.
9
10 Definicja System pomiarowy to odpowiednio zorganizowany zestaw elementów stanowiących całość organizacyjną i objętych wspólnym sterowaniem, przeznaczony do wydobycia informacji pomiarowej z obiektu badanego i przekazania jej obserwatorowi w dogodnej postaci. KSP to system pomiarowy wyposażony w komputer ogólnego przeznaczenia lub specjalizowane urządzenie, które mają za zadanie sterowanie przepływem danych w systemie pomiarowym, tj. pełnią rolę kontrolera (systemu)
11 Składniki KSP Urządzenia funkcjonalne realizujące zadania zlecone przez kontroler systemu (komputer z odpowiednim oprogramowaniem jako kontroler systemu synchronizujący pracę pozostałych urządzeń) Magistrala interfejsowa (zapewniająca transmisję danych i poleceń) Program sterujący pracą kontrolera
12 Konfiguracja i struktura systemu pomiarowegoSchemat poglądowy przykładowego współczesnego systemu pomiarowego
13 Przeniesienie funkcji pomiarowych z człowieka na komputerCele KSP Rozwój KSP zmierza do umożliwienia poznania nowych, niemierzalnych wielkości i eksploracji nowych obszarów Przeniesienie funkcji pomiarowych z człowieka na komputer Powtarzalność (urządzenia pracują tak samo cały czas) Dokładność (dane wynikowe są gromadzone i przetwarzane bez etapu przepisywania) Szybkość (większa wydajność przez minimalizację interwencji operatora)
14 Ścieżka rozwoju (K)SP Przyrządy analogowe + przystawki rejestracyjne (brak systemu) Przyrządy cyfrowe + rejestratory (koniec lat 50 XX w. to początek burzliwego rozwoju elektroniki cyfrowej) Przyrządy cyfrowe PROGRAMOWANE Interfejsy specjalizowane (specyficzne dla producenta) Interfejs HPIB (Hewlett-Packard Interface Bus) „Nowe” systemy interfejsowe: USB, FireWire, LAN, WiFi (filozofia HPIB została przeniesiona na inne medium transmisyjne) Przyrząd wirtualny (uważany współcześnie za szczyt rozwoju aparatury kontrolno-pomiarowej)
15 Woltomierz z 1943 r. Wynik prezentowany na wskaźniku wychyłowym Dostępny przełącznik zakresu Brak możliwości współpracy z rejestratorem
16 Przystawka rejestrująca BCD 1962r.Wydruk na papierze z dowolnego urządzenia z wyjściem BCD (ang. Binary Coded Decimal – kod w którym cyfra dziesiętna jest reprezentowana przez 4bity) Konieczność przepisania danych (udział człowieka) w celu dalszego przetwarzania danych pomairowych Brak możliwości zdalnego sterowania urządzeniem
17 Interfejs HPIB Krok milowy w tworzeniu systemów pomiarowychTworzenie systemu pomiarowego sprowadzało się do połączenia odpowiednimi kablami urządzeń wyposażonych w odpowiedni interfejs Kontrolerami systemu były (w początkowym okresie rozwoju) programowalne kalkulatory z których słynęła firma HP
18 Interfejs HPIB Kable zakończone zostały gniazdo-wtykami umożliwiając tworzenie systemów w dowolnych konfiguracjach
19 Standard GPIB (General Purpose Interface Bus) powstał w 1974 rokuStandard GPIB (General Purpose Interface Bus) powstał w 1974 roku. Był on propozycją firmy Hewlett-Packard, która miała ujednolicić sposób podłączania urządzeń pomiarowych do komputerów. W tamtym okresie bowiem nie tylko urządzenia te miały różne interfejsy ale nie było również standardów interfejsów we/wy dla komputerów rozpowszechnionych w równym stopniu, jak obecnie RS-232C, Centronics, czy USB.
20 Rozwiązanie HP (nazywane początkowo HP-IB) zakładało standaryzację fizycznego medium transmisyjnego (kabel 24-żyłowy), prędkości transmisji (1Mbps) jak również pewnych podstawowych protokołów transmisji danych. Od samego początku była to koncepcja "szyny" - oznaczało to, że na jednym kablu przez ten sam interfejs mogło być podłączonych więcej urządzeń. W połączeniu ze standaryzacją pozwalało to na znaczną redukcję kosztów przygotowania systemów pomiarowych.
21 Interfejs INTERFEJS:- jest to zespół środków zapewniających dopasowanie mechaniczne, elektryczne i logiczne, oraz ustalających funkcjonalne zależności pomiędzy różnymi częściami systemu, zgromadzonymi w celu wymiany informacji (danych). ZADANIA i FUNKCJE interfejsów konwersja sygnałów (wewnętrzne/zewnętrzne) Synchronizacja powiadamianie o zdarzeniach (przerwanie) buforowanie (danych) zarządzanie (kontroler/nadawca/odbiorca) korekcja błędów
22 Klasyfikacja interfejsówze względu na charakter sygnału: analogowe cyfrowe Szeregowe (RS-232, RS-485, IEEE1394, USB...) Równoległe (HPIB, IEE1284) szeregowo-równoległe
23 Transmisja równoległa polega na przesyłaniu wszystkich pól słowa danych jednocześnie. Za względu na fakt, że sprzęt komputerowy, w naturalny sposób wspiera taki sposób wprowadzania/wyprowadzania danych, transmisja równoległa jest bardzo popularna. Ponadto, dzięki zrównolegleniu przesyłu danych, uzyskujemy znaczny przyrost prędkości przesyłu. Udogodnienia te wiążą się jednak z faktem konieczności stosowania łącza dziewięcioprzewodowego, nieodzownego przy tego rodzaju transmisji.
24 Transmisja szeregowa polega na sekwencyjnym przesyłaniu danych bit po bicie. Należy zaznaczyć, że informacja wprowadzana jest do rejestru przesuwnego styku szeregowego, który bit po bicie wysyła ją na wyjście układu.
25 Ze względu na zasięg Wewnętrzne (w obrębie systemu mikroprocesorowego, np. płyty głównej) Zewnętrzne (transmitujące dane od urządzeń zewnętrznych do komputera
26 Standaryzacja Działania mające na celu ujednolicenie i uproszczenie konstrukcji warstwy programowej (zarówno po stronie kontrolera jak i urządzenia) Opracowano pewne standardy z myślą o ujednoliceniu zachowania bloków sprzętowych i unifikacji sterowania nimi za pomocą interfejsów komunikacyjnych
27 Konfiguracja i struktura systemu pomiarowegoKonfiguracja KSP to sposób połączenia bloków funkcjonalnych w systemie. Kryteria organizacji przepływu informacji w systemie pomiarowym : Rodzaj transmisji w systemie : szeregowy, bit po bicie lub równoległy, w którym transmituje się informację słowo po słowie, w formie słów wielobitowych. Sposób wymiany informacji między częściami systemu ze względu na konfigurację połączenia przyrządów: liniową (magistralową), gwiazdową lub posobną.
28 Konfiguracja i struktura systemu pomiarowegoKonfiguracja liniowa- umożliwia łatwą zmianę struktury systemu (dodanie lub odłączenie przyrządów, zmianę miejsca przyrządu w stosunku do innych przyrządów). PRZYRZĄD 1 KONTROLER SYSTEMU PRZYRZĄD 2 PRZYRZĄD N Dane i instrukcje Magistrala systemu
29 Konfiguracja i struktura systemu pomiarowegoKonfiguracja gwiazdowa- wymaga tylu wieloliniowych wejść komputera ile jest przyrządów w systemie . Zaletą tej konfiguracji jest nieadresowanie przyrządów na magistrali ponieważ są one na stałe podłączone do komputera . PRZYRZĄD 2 PRZYRZĄD 3 Dane i instrukcje KONTROLER SYSTEMU PRZYRZĄD N PRZYRZĄD 1
30 Konfiguracja i struktura systemu pomiarowegoKonfiguracja posobna - wymiana danych jest możliwa tylko pomiędzy sąsiadującymi przyrządami. Konfiguracja stosowana w przypadku prostych systemów pomiarowych o określonej drodze przepływu informacji. Dane i instrukcje PRZYRZĄD 1 KONTROLER SYSTEMU PRZYRZĄD 2 PRZYRZĄD N
31 Mierniki elektryczne
32 Mierniki elektryczne Dla elektrycznych mierników analogowych graniczny błąd bezwzględny i graniczny błąd względny są określone przez klasę dokładności k przyrządu. Klasa dokładności przyrządu jest granicznym błędem bezwzględnym wyrażonym w procentach wielkości jego zakresu. Wyraża się wzorem: (10) Norma polska PN 84/E Mierniki elektryczne analogowe o działaniu bezpośrednim i ich przybory ustala następujące klasy dokładności: 0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1; 1.5 i 2.5 Klasę dokładności podaje się przeważnie na skali przyrządu pomiarowego.
33 Mierniki elektryczne klasa
34 Mierniki elektryczne Dla mierników cyfrowych graniczny błąd pomiaru określa się jako sumę: błędu dRx (podanego w procentach) uzależnionego od wartości mierzonej (wskazanej), oraz błędu dFSx wynikającego z braku pewności co do n ostatnich jednostek (kwantów) wskazania cyfrowego. Drugi składnik błędu granicznego jest wyrażony wzorem: gdzie: Nmax oznacza zwiększoną o jeden największą liczbę wskazywaną przez miernik (bez uwzględniania przecinka).
35 Mierniki elektryczne Graniczny błąd przyrządu cyfrowego zapisuje się często korzystając ze wzoru: gdzie: rdg (ang. reading) oznacza wartość mierzoną odczytaną z miernika, natomiast dgt (ang. digit) oznacza wartość ostatniej cyfry danego pomiaru.
36 Mierniki elektryczne Przykład IWoltomierz analogowy o zakresie [0; 300 V] i klasie dokładności 0.5 wskazał: (1) 297 V, (2) 128 V, (3) 85 V, (4) 14 V Obliczyć graniczne błędy pomiaru bezwzględne i względne oraz podać wyniki pomiaru w pełnej postaci. Graniczny bezwzględny błąd pomiaru jest jednakowy dla wszystkich pomiarów i wynosi DmaxU = x 300 V = 1.5 V Graniczne względne błędy pomiaru są różne dla różnych pomiarów: (1) U = 297,0 V ± 1,5 V U [295,5 V; 298,5 V] δ maxU = 0,505% ≈ 0,5% (2) U = 128,0 V ± 1,5 V U [126,5 V; 129,5 V] δ maxU = 1,172% ≈ 1,2% (3) U = 85,0 V ± 1,5 V U [ 83,5 V; 86,5 V] δ maxU = 1,765% ≈ 1,8% U = 14,0 V ± 1,5 V U [ 12,5 V; 15,5 V] δ maxU=10,714% ≈ 10,8%
37 Mierniki elektryczne Z powyższego przykładu widać, że niedokładność pomiaru zależy od wyboru zakresu miernika. Im wskazanie jest bliższe końca zakresu, tym mniejszy graniczny względny błąd pomiaru.
38 Mierniki elektryczne Przykład IIWoltomierz czterocyfrowy (9999) o błędzie 0.05% rdg + 5 dgt (o dekadowo zmienianych zakresach) wskazał na zakresie pomiarowym 10V: (1) 9,912 V, (2) 5,228 V, (3) 0,119 V. Obliczyć bezwzględne i względne graniczne błędy pomiaru oraz podać wyniki pomiaru w pełnej postaci. Zakres wskazań woltomierza wynosi Nmax = 104 V (9999+1), zaś wartość jego ostatniej cyfry, q = 10–3 V. Graniczne błędy pomiaru, bezwzględny i względny, wynoszą: (1) maxU = 9,95610–3 V 1010–3 V U = (9,912 0,010)V maxU = 0,1004% 0,1% (2) maxU = 7,61410–3 V 810–3 V U = (5,228 0,008) V maxU = 0,1456% 0,15% (3) maxU = 5,05910–3 V 510–3 V U = (0,119 0,005) V maxU = 4,2017% 4,21%