Тема 13. Микропроцессорные, компьютерные и виртуальные измерительные приборы и системы
Лекция 26. Основные сведения
Автоматизация измерений способствует более быстрой обработке большого числа измеряемых параметров, повышению требований к точности измерений и их быстродействию (при ограниченных возможностях оператора в восприятии и обработке больших объемов информации) и, следовательно, к снижению загруженности и роли оператора в процессе измерений.
Переход к построению цифровых средств измерений привел к созданию автоматизированных измерительных систем с использованием микропроцессоров.
Автоматизированными средствами измерений считают автономные непрограммируемые приборы и гибкие измерительные системы (ГИС), построенные на базе цифровой техники.
Автономные непрограммируемые приборы работают по жесткой программе и предназначены для измерений определенных параметров сигналов и характеристик цепей. В этих приборах автоматически выполняется только часть измерительных операций, например таких, как определение полярности входного сигнала и установка пределов измерения.
Гибкие измерительные системы позволяют программным способом перестраивать систему для измерения различных физических величин и менять режим измерений. При этом аппаратная часть измерительной системы не изменяется. По структурному построению ГИС подразделяют на интерфейсные, микропроцессорные и компьютерно - измерительные.
Наиболее мощными типами ГИС являются измерительно - вычислительные комплексы (ИВК), которые создаются путем объединения с помощью специальной многопроводниковой магистрали в одну измерительную систему компьютера, измерительных приборов и устройств отображения информации. Связь между компьютером и всеми остальными узлами и их совместимость обеспечиваются с помощью совокупности аппаратных, программных и конструктивных средств.
Устройство сопряжения компьютера со средствами измерений или любыми другими внешними системами называют интерфейсом. Иногда в это понятие включают и программное обеспечение автоматизированной системы. Обычно в ИВК используются стандартные устройства (модули), подключенные к общей магистрали, и стандартные интерфейсы. При этом для решения новой метрологической задачи достаточно сменить часть модулей, используемых в качестве источника или приемника информации, и программное обеспечение.
В микропроцессорных ГИС все узлы подключаются непосредственно к магистрали микропроцессора. Встроенные микропроцессоры осуществляют сервисные операции, обеспечивают различные режимы измерений и определяют ряд параметров сигнала или цепи. Работа таких приборов выполняется в соответствии с программами, заложенными в запоминающем устройстве.
В настоящее время во многих измерительных системах применяются персональные компьютеры. Это, прежде всего, связано с тем, что компьютер делает измерительную систему исключительно гибкой, так как пользователь может легко изменить его программное обеспечение. Компьютерно-измерительные системы объединяют средства измерений, обработки, вычислений и управления на собственной шине персонального компьютера.
Микропроцессорные измерительные приборы
Структурная схема ЦИП со встроенным микропроцессором показана на (рис. 13.1). Конкретным примером такого прибора может быть цифровой ваттметр, измеритель временных интервалов и др.
Работа такого прибора происходит следующим образом. Клавиатура содержит поле задания режима, поле цифровых данных и шифраторы. С помощью поля режима задаются режим измерения и измеряемая величина. Диапазон измерения вводится посредством цифровой клавиатуры. Сигналы с клавиатуры с помощью шифратора преобразуются в код и поступают на шину данных.
Микропроцессор по подпрограмме установки режима анализирует данные с клавиатуры, сравнивая их с константами из ПЗУ, и вырабатывает управляющие коды на ЦАП (для обеспечения предела измерений), на мультиплексор (для подключения входного канала) и т.д. Одновременно вводимая информация с клавиатур интерпретируется для вывода на дисплей.
Отображение вводимых данных на дисплее целесообразно полностью идентифицировать с надписями на клавиатуре, для этого в ПЗУ необходимо программировать зоны интерпретации кодов вводимых данных в символы, показываемые на дисплее. Кроме программирования режима работы прибора, анализ входных данных может включать в себя контроль вводимых данных (синтаксический контроль, контроль полноты исходных данных и т.п.).
Собственно режим измерений должен начинаться с приходом команды «пуск» (с клавиатуры — при местном управлении, с интерфейсной шины — при дистанционном). Сформированный в АЦП код поступает в микропроцессор, где производится обработка по программе и вычисление вторичных параметров. Передача кода из АЦП в микропроцессор может осуществляться как в режиме прерывания по запросам от АЦП, так и в режиме обращения к АЦП в качестве адресуемого регистра (особенно при работе АЦП в режиме запуска от микропроцессора).
Для получения информации о коррекции погрешности и для диагностики работоспособности прибора микропроцессор по шине данных на мультиплексор передает код для подключения к АЦП встроенной образцовой меры (в случае цифрового вольтметра — опорное напряжение). Код с АЦП, соответствующий образцовой мере, поступает в микропроцессор и сравнивается с константой из ПЗУ. Вычисляется соответствующая поправка, которая будет участвовать в расчете измеряемых параметров до следующего цикла калибровки прибора. Прибор с подобной структурой легко перестраивается на другие (близкие по характеру) виды измерений. Для этого достаточно заменить ПЗУ (программу и константы, включая интерпретацию входной информации о режимах) и клавиатуру (если меняется состав измеряемых параметров, т.е. тип прибора). Включение на вход прибора мультиплексора позволяет измерять параметры сигналов с нескольких входов, т.е. проводить комплексные (многопараметровые) измерения.
