Виртуальный прибор можно строить двумя способами: с последовательной или параллельной архитектурой.
В виртуальном приборе с последовательной архитектурой 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. 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, показана на рис. 12.2.
Взаимодействие между отдельными элементами виртуального прибора осуществляют с помощью внутренней шины компьютера, к которой подключены как его внешние устройства, 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 обеспечиваем 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.
Одним из элементов виртуального прибора является блок образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты. В виртуальных приборах предусмотрена возможность определения индивидуальных функций влияния температуры на разные параметры прибора: дрейф нуля УПТ, коэффициенты передачи различных элементов. Непрерывный контроль температуры блоков позволяет автоматически корректировать возникающие погрешности измерения.
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.
Одна из самых известных среди специалистов разработок виртуальных приборов — системы LabVlEW, BridgeVlEW и LookOut компании National Instruments (США). Кроме того, существует большое количество библиотек виртуальных приборов от независимых сторонних производителей. Программы в LabVlEW и именуются виртуальными приборами, так как способ общения с ними напоминает реальные приборы. Виртуальные приборы играют ту же роль, что и функции в обычных языках программирования.
Замена текстового представления графическим делает представление измерительных данных и процедур более наглядным, не создает языкового барьера, рисунок выражает смысл информации в более компактных единицах; например, это относится к графическому программному обеспечению LabVlEW. Пакет LabVlEW — графическая альтернатива обычному программированию — предназначен для создания ИС и представляет собой программные средства, которые требуются при работе в области мониторинга, испытаний и измерений. С помощью LabVlEW можно создавать графические программы — виртуальные приборы, вместо написания традиционных программ.
Пользователь виртуального прибора включает объект графической панели с помощью клавиатуры, «мыши» или специализированной прикладной программы. Виртуальные приборы сочетают большие вычислительные и графические возможности компьютера с высокой точностью и быстродействием АЦП и ЦАП, применяемых в платах сбора данных. По существу виртуальные приборы выполняют анализ амплитудных, частотных, временных xapaiaсристик различных радиотехнических цепей и измеряют параметры сигналов с точностью примененных АЦП и ЦАП, а также формируют сигналы и для процесса собственно измерений, и для автоматизации ИС.
Программная часть виртуального прибора может эмулировать (создагь) на экране дисплея виртуальную переднюю управляющую панель стационарного измерительного прибора. Сама панель с виртуальными кнопками, ручками и переключателями, сформированная на экране дисплея, становится панелью управления прибором. В отличие от реальной панели управления измерительного прибора, виртуальная панель может быть многократно перестроена в процессе работы для адаптации к конкретным условиям эксперимента. В зависимости от платы и программного обеспечения пользователь получает измерительный прибор под ту или иную метрологическую задачу.
Несколько лет назад на пути создания -виртуальных приборов появилось новое многообещающее направление. Оно называется IVJ (Interchangeable Virtual Instruments — взаимозаменяемые виртуальные инструменты). Основная идея такова. Все приборы одного класса имеют большую, общую для всех приборов группу функций, например, все цифровые мультиметры (DMM) измеряют постоянное и переменное напряжение, сопротивление, а также выполняют другие функции. Если эти функции выделить в IVI Class Driver для класса DMM Class, то часть программы, отвечающая за управление цифровыми мультиметрами, не будет зависеть от конкретного прибора и его драйвера. Следует отметить высокое качество и надежность приборных драйверов VXI «Plug&Play», что не связано с концепцией классов драйверов IVI Class Driver, а реализуется другими средствами.
Рассмотрим один из виртуальных цифровых запоминающих осциллографов. Внешний вид программного интерфейса пользователя цифрового виртуального осциллографа представлен на рис. 12.3.
Виртуальный цифровой запоминающий осциллограф предназначен для наблюдения, регистрации, долговременного хранения, анализа и измерения амплитудных и временных параметров различных импульсных, периодических и случайных процессов. Программный пакет «осциллограф», заложенный в память компьютера, обменивается данными с платой сбора данных по
готовности прибора к обработке информации. После выдачи плате специальной команды на сбор данных по параметрам исследуемых сигналов, программа ожидает от нее сообщения об окончании процедуры заполнения буферной памяти, встроенной в плату сбора данных. Затем анализируемые сигналы поступают в компьютер, где их обработку и исследование полностью выполняет процессор. Программные файлы позволяют с помощью компьютера документировать исследуемые процессы, сравнивать сигналы с эталонными и отображать сигналы, созданные пользователем в его программах.
Принцип действия платы сбора данных упрощенно описывается следующим образом. Процесс сбора данных можно условно разделить на два этапа: запись оцифрованных сигналов в буферную память платы сбора данных (соответствует обратному ходу луча реального осциллографа) и передача данных в виртуальный осциллограф, их обработка и вывод на экран (соответствует прямому ходу луча реального осциллографа). Режим «прямого хода луча» (интервал обновления изображения на экране) зависит от объема памяти записывающего буфера платы сбора данных, быстродействия процессора и ОЗУ компьютера, числа каналов осциллографа.
Несмотря на то, что исследуемые сигналы — аналоговые, изображение на виртуальном экране (дисплее компьютера) осциллографа формируется после аналого-цифрового преобразования и поэтому является дискретным. Виртуальные кнопки, ручки, переключатели и другие элементы графического интерфейса практически не отличаются от реальных. Единственное и главное их отличие заключается в изменении положения ручек и переключателей, которое осуществляют с помощью «мыши» (или клавиатуры), а не рукой, как у реальных измерительных приборов.
Достоинства рассмотренного виртуального осциллографа:
•высокая точность измерений параметров сигналов или цепей;
•яркий, четко сфокусированный экран на любой скорости развертки и резко очерченные контуры изображения;
широкая полоса пропускания;
•возможность запоминания эпюры сигнала на произвольное время;
•автоматическое измерение параметров сигналов;
•возможность статистической обработки результатов измерения;
•наличие средств самокалибровки и самодиагностики;
•возможность сравнения текущих данных с образцовыми или предварительно записанными;
•наличие принтера и плоттера для создания отчета о результатах измерений, а также упрощенная архивация результатов измерений;
•возможность исследования переходных процессов в цепях.
На рис. 12.4 показан внешний вид программного интерфейса виртуального цифрового анализатора спектра, а на рис. 12.5 — виртуального цифрового генератора сигналов.
Виртуальный анализатор спектра может исследовать от 2 до 1024 гармонических составляющих и позволяет вычислить амплитуды и фазы гармоник, а также коэффициенты Фурье спектрального представления исследуемого сигнала.
Виртуальный генератор сигналов ЦГС-31 способен создавать широкую сетку частот и имеет много режимов работы, позволяющих регулировать различные параметры выходных сигналов.
Итак, широкие вычислительные возможности виртуальных приборов позволяют реализовать программными методами многие методы повышения точности измерений, эффективности и быстродействия. Например, если полученная при измерениях гистограмма распределения физической величины, наблюдаемая экспериментатором на дисплее компьютера, имеет выпавшие значения и сглаженную форму, то следует предположить существование выбросов и наличие дрейфа измеряемой величины или погрешности.
В настоящее время развивается направление по разработке виртуальных измерительных систем, широко использующих возможности современных компьютеров, компьютерной графики, перспективных методов и средств измерений, цифровой обработки информации и эффективных «Plug&Play» мультимедиа-технологий при создании программного и технологического обеспечения. На основе таких систем проводятся:
.png)
