Компьютерно-измерительные системы

В настоящее время сформировалось новое направление в метрологии и измерительной технике — компьютерно - измерительные системы (КИС) и их разновидность, или направление развития — виртуальные (виртуальный — кажущийся) измерительные приборы (виртуальные приборы). В компьютерно-измерительную систему обязательно входит компьютер, работающий в режиме реального масштаба времени или, как теперь принято говорить, в режиме on - line.

В последние годы персональные компьютеры используются не только как вычислительные средства, но и в качестве универсальных измерительных приборов. Компьютерно-измерительная система на базе персонального компьютера позволяет заменить стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и др.) системой виртуальных приборов. При этом ряд приборов могут быть активизированы (воспроизведены) на одном персональном компьютере одновременно. К отличительным особенностям и преимуществам КИС по сравнению с микропроцессорными приборами относятся:

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

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

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

Ø возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости;

Ø возможность составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;

Ø возможность оперативного использования, различных устройств документирования результатов измерений.

Рассмотрим структурную схему КИС. В самом общем случае КИС может быть построена с последовательной или параллельной архитектурой.

В компьютерно-измерительную систему с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) входят части системы, преобразующие анализируемые сигналы, которые обрабатывают в последовательном режиме, поэтому вся соответствующая электроника размещается на слотах компьютера. Достоинства такой архитектуры построения КИС очевидны — благодаря использованию принципа разделения обработки по времени стоимость системы невелика.

В компьютерно-измерительной системе с параллельной архитектурой содержится ряд параллельных каналов измерения, и каждый канал имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т.е. объединения сигналов). Посредством такого принципа построения КИС могут производить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В этой системе преобразование сигналов выполняется локально в месте расположения источника исследуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме.

Обобщенная структурная схема КИС, отражающая как последовательную, так и параллельную архитектуру построения, представлена на (рис. 13.2). Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляется с помощью внутренней шины персонального компьютера, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, принтер), 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 обеспечивает подачу аналоговых напряжений с внешних датчиков на узлы системы.

Достаточно простые схемы КИС могут быть размещены на одной плате персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе коммутируются необходимые измерительные элементы, т.е. меняется архитектура построения системы.

Одним из элементов КИС является блок образцовых программно управляемых мер напряжения и частоты. В качестве встроенных образцовых мер напряжения в КИС чаще всего применяются стабилитроны, температурный коэффициент напряжения которых составляет около 2 ∙ 10^{‒ 5} . К наиболее эффективному способу стабилизации опорного напряжения относится термостатирование блока стабилитронов. Термостат поддерживает температуру элементов около 30°C со стабильностью не ниже 0,1°C.

Недостатком такой схемы являются достаточно длительный прогрев термостата (до 30 мин), а также большие скачки температуры при включении термостата. Температурные перепады ускоряют процесс старения стабилитронов, а следовательно, снижают их долговременную стабильность. В настоящее время в КИС имеется возможность учитывать температурную нестабильность элементов программными методами.

Контрольные вопросы

1 На какие виды подразделяют ГИС по структурному построению?

2 Что дает использование микропроцессоров в измерительной технике?

3 Из каких частей состоит измерительный прибор на базе микропроцессора?

4 Какие существуют способы построения структурных схем КИС?

5 Как реализуется учет температурной нестабильности в КИС?