SYSTEMY POMIAROWE

Systemy pomiarowe

Systemy pomiarowo-kontrolne

używane

są w przemyśle do automatyzacji

procesów technologicznych.

W systemach takich stosuje się zwykle

znaczne ilości czujników

rozmieszczonych na całym

kontrolowanym obiekcie i

przetworników formujących sygnały

wykorzystywane dalej przez regulatory

sterujące procesem technologicznym.

Konfiguracje systemów

pomiarowych

• Konfiguracja systemu pomiarowego jest

to sposób połączeń jednostek

funkcjonalnych w systemie pomiarowym.

Konfiguracja określa układ dróg przepływu

informacji w systemie.

• Aktualnie są stosowane trzy podstawowe

konfiguracje systemów pomiarowych:

- gwiazdowa,
- magistralowa
- pętlowa,
- a także ich kombinacje

Konfiguracjensystemów

pomiarowych

• W

konfiguracji gwiazdowej

centralna

pozycja jest zarezerwowana dla
kontrolera systemu.

Kontroler pośredniczy w przekazywaniu

każdej informacji między pozostałymi
jednostkami funkcjonalnymi.

- Przesyłanie informacji jest możliwe

jedynie między kontrolerem a
jednostkami funkcjonalnymi.

Konfiguracja gwiazdowa

• Jednostka funkcjonalna nie może przesłać

informacji do innej jednostki bezpośrednio,
tylko za pośrednictwem kontrolera.

• Konfiguracja gwiazdowa jest stosowana w

prostych systemach pomiarowych, o
niewielkiej i ustalonej liczbie jednostek
funkcjonalnych.

• Rozbudowa systemu o konfiguracji

gwiazdowej, jest utrudniona.

Konfiguracja magistralowa

• W

konfiguracji magistralowej

wszystkie współpracujące w systemie

urządzenia są dołączone równolegle do

magistrali cyfrowej.

• Magistrala jest zespołem linii, po

których przekazywane są wszystkie

informacje przesyłane pomiędzy

dowolnymi urządzeniami pracującymi

w systemie.

• W konfiguracji tej żadne z urządzeń

systemu nie ma wyróżnionej pozycji.

Konfiguracja magistralowa

• Kontrolerem systemu może być każde z

urządzeń dołączonych do magistrali i

mające zdolność sterowania systemem.

•

• W praktyce najczęściej stosuje się

systemy pomiarowe o konfiguracji

magistralowej, w których przesyłanie

informacji odbywa się za pośrednictwem

wieloprzewodowej magistrali

Konfiguracja magistralowa

W systemie o konfiguracji magistralowej

zachodzi

konieczność udzielania zezwoleń

poszczególnym urządzeniom na nadawanie

informacji, jak i powiadamianie o

konieczności przyjęcia nadawanej informacji.

Te czynności organizacyjne nazywa się

odpowiednio:

adresowaniem do nadawania

adresowaniem do odbioru.

Konfiguracja pętlowa

• W

konfiguracji pętlowej

wszystkie linie

sygnałowe są w tej konfiguracji
jednokierunkowe, wskutek czego kierunek
obiegu informacji w pętli jest ustalony.

• Podobnie jak w konfiguracji magistralowej,

kontroler systemu nie zajmuje tu wyróżnionego
miejsca.

• Informacja nadawana przez kontroler wysyłana

jest do najbliższej jednostki funkcjonalnej, w
kierunku zgodnym z obiegiem pętli, gdzie
zostaje ona przyjęta i przeanalizowana.

Konfiguracja pętlowa

• Powrót informacji do kontrolera oznacza, że przeszła

ona przez wszystkie urządzenia i została
wykorzystana przez te z nich, które były wcześniej
wyznaczone (zaadresowane) do odbioru. (

Jest to więc

jednocześnie potwierdzenie odbioru i zezwolenie na
nadanie następnej informacji

• W systemach o konfiguracji pętlowej, podobnie jak w

magistralowej, zachodzi konieczność adresowania
urządzeń do nadawania i odbioru informacji.

• W porównaniu z innymi konfiguracjami, konfiguracja

pętlowa ma:

- najmniejszą szybkość działania,
- najmniejszą liczbę linii sygnałowych.

Elementy struktury systemu

pomiarowego

W jego skład wchodzi:

• kontroler

sterujący pracą systemu oraz zespół

jednostek funkcjonalnych,

• czujniki pomiarowe

przetwarzające wielkości

pomiarowe pochodzące z obiektu pomiaru na

sygnały elektryczne,

• blok akwizycji sygnałów

umożliwiający zbieranie

sygnałów pomiarowych i przetwarzanie analogowo-

cyfrowe (A/C),

•

blok przetwarzania danych

realizujący cyfrowe

przetwarzanie sygnałów,

• blok generacji wymuszeń

umożliwiający zwrotne

oddziaływanie na obiekt,

• blok komunikacji

użytkownikiem.

• Kontroler systemu

jest odpowiedzialny za

czasowo-przestrzenną koordynację działań

systemu, a więc

wybór punktów

pomiarowych

ustalenie warunków pomiaru

określenie momentu rozpoczęcia pomiaru

oraz

organizację przepływu informacji.

•

Kontroler systemu

wykonuje czynności

sterujące w systemie pomiarowym zgodnie z

programem zawartym w

pamięci

• Rozróżnia się kontrolery realizujące wyłącznie

stały algorytm pomiarowy

(sterowniki

układowe) oraz kontrolery realizujące

różne

algorytmy

, przez zmianę programów

wpisanych do pamięci kontrolera.

Zadania elementów

systemu

• Blok komunikacji z użytkownikiem

jest przeznaczony

do wprowadzania i odbierania informacji z systemu

przez użytkownika.

• W systemach bez komputera wprowadzanie

informacji może być dokonywane np. za pomocą

przełączników,

• W systemach komputerowych wprowadzanie danych

za pomocą klawiatury, stacji dyskietek, myszki,

pióra świetlnego.

• Wyprowadzanie informacji może odbywać się za

pomocą rejestratorów cyfrowych bądź analogowych,

monitorów ekranowych, drukarek oraz z użyciem

wpisu do pamięci dyskowej.

• Czujniki pomiarowe

przekształcają wielkości

nieelektryczne, lub trudno mierzalne wielkości
elektryczne, na łatwo mierzalne wielkości
elektryczne, takie jak napięcie stałe, częstotliwość
czy przedział czasu.

• Postęp w mikroelektronice przyczynił się do

powstania tzw.

czujników inteligentnych

, które

zintegrowane są z układem przetwarzania i
standaryzacji sygnału.

•

Czujniki te potrafią realizować funkcje

autokalibracji, linearyzować charakterystykę
przetwarzania, a także eliminować wpływ
zakłóceń.

Zadania elementów

systemu

• Blok akwizycji

pośredniczy między czujnikami

pomiarowymi a blokiem przetwarzania danych. Jego

zadaniem jest zbieranie sygnałów pomiarowych i

przekształcenie ich na postać cyfrową.

• W bloku akwizycji wykonywana jest wstępna

normalizacja sygnału analogowego (często

nazywana kondycjonowaniem sygnału) oraz

przetwarzanie napięcie-cyfra bądź czas-cyfra.

• Przetwarzanie napięcie-cyfra jest stosowane przy

pomiarach napięcia, prądu, rezystancji itp.

• Przetwarzanie czas-cyfra stosowane jest przy

pomiarach odstępu czasu, częstotliwości, okresu,

przesunięcia fazowego.

• Blok przetwarzania danych

jest odpowiedzialny

za cyfrową obróbkę sygnałów pomiarowych

zgodnie z przyjętym algorytmem.

• Jeżeli kontrolerem w systemie pomiarowym

jest komputer, to na ogół, oprócz sterowania

systemem, pełni on jednocześnie funkcje bloku

przetwarzania danych.

• W przypadku systemów wymagających

przetwarzania w czasie rzeczywistym (real

time processing) przyspieszenie obliczeń

zapewniają wydzielone bloki funkcjonalne z

procesorami sygnałowymi, realizujące złożone i

pracochłonne algorytmy przetwarzania

danych.

Zadania elementów

systemu

• Blok generacji sygnałów

wykorzystywany

jest do wytwarzania sygnałów
wymuszających (programowane źródła
napięć i prądów), do generacji sygnałów
wzorcowych oraz do wytwarzania
sygnałów sterujących elementami
wykonawczymi obiektu pomiarowego.

• Blok ten wymaga jednego lub kilku

przetworników C/A w celu wytworzenia
sygnałów analogowych.

Wirtualne przyrządy

pomiarowe

• Wirtualne przyrządy pomiarowe

składają

się z komputera ogólnego przeznaczenia i

dołączonych do niego sprzętowych bloków

funkcjonalnych.

• Funkcje i możliwości takich przyrządów

określone są zarówno przez sprzęt, jak i

oprogramowanie, a ich obsługa odbywa

się za pomocą ekranu komputerowego,

klawiatury i myszy z wykorzystaniem

graficznego interfejsu użytkownika.

• Jako komputer najczęściej wykorzystywany

jest komputer typu PC.

• Kluczową częścią przyrządu jest

oprogramowanie

które integruje komputer i bloki pomiarowe,

tworząc z nich przyrząd.

• Na oprogramowanie przyrządu wirtualnego składa

się

panel graficzny

przyrządu oraz

sterownik

części

sprzętowej.

• Panel graficzny na ekranie komputera odwzorowuje

płytę czołową przyrządu wirtualnego.

• Panel ten zawiera zbiór symboli graficznych,

służących do obsługi przyrządu takich jak

przełączniki, pokrętła, wskaźniki analogowe i

cyfrowe, pola znakowe lub numeryczne, pola

wykresów i inne.

Przyrząd wirtualny

• Kluczową częścią przyrządu jest

oprogramowanie

które integruje komputer i bloki pomiarowe, tworząc z

nich przyrząd.

• Na oprogramowanie przyrządu wirtualnego składa się

panel graficzny

przyrządu oraz

sterownik

części

sprzętowej.

• Panel graficzny na ekranie komputera odwzorowuje

płytę czołową przyrządu wirtualnego.

• Panel ten zawiera zbiór symboli graficznych,

służących do obsługi przyrządu takich jak

przełączniki, pokrętła, wskaźniki analogowe i cyfrowe,

pola znakowe lub numeryczne, pola wykresów i inne.

• Cechą wirtualnego przyrządu pomiarowego

jest:

- funkcjonalna elastyczność,
- rekonfigurowalność.

• Umożliwia to stworzenie na bazie danego

sprzętowego bloku funkcjonalnego szerokiego
zbioru przyrządów wirtualnych realizujących
różnorodne funkcje i redukcję kosztów
przyrządów oraz skrócenie czasu ich
opracowania i dalszych modyfikacji.

Przyrząd wirtualny

• Cechą wirtualnego przyrządu pomiarowego

jest:

- funkcjonalna elastyczność,

- rekonfigurowalność

• Umożliwia to stworzenie na bazie danego

Interfejsy systemów pomiarowych

• Sterowanie pracą każdego systemu pomiarowego,

a także przesyłanie informacji pomiarowych

odbywa się za pośrednictwem

systemu interfejsu

• Jest to

układ komunikacyjno-informacyjny

systemu pomiarowego.

• Obowiązuje w nim ustalony zbiór reguł

obejmujących zasady zarządzania systemem

pomiarowym przez kontroler, a także ustalających

sposób kodowania informacji i jej przesyłania.

• Reguły te określają parametry elektryczne

sygnałów i metody transmisji, protokoły

komunikacyjne i metody kodowania sygnałów,

wymagania mechaniczne na gniazda

połączeniowe i rozmieszczenie w nich

poszczególnych sygnałów.

Interfejsy

Ze względu na

rodzaj transmisji

interfejsy

możemy podzielić na szeregowe i równoległe.

• W

interfejsie szeregowym

poszczególne bity

danego słowa przesyła się kolejno, bit po bicie.

Ze względu na niskie koszty okablowania,

gdzie wykorzystuje się tylko dwa lub trzy

przewody, interfejsy szeregowe stosuje się

przy przesyłaniu sygnałów na duże odległości.

Najbardziej znanym interfejsem szeregowym

jest interfejs

RS-232C

oraz jego

zmodyfikowana wersja

RS-485.

Interfejsy

• W

interfejsach równoległych

przesyłaną

informację dzieli się na słowa (np. po 8 lub

16 bitów). Wszystkie bity danego słowa

przesyła się jednocześnie (równolegle),

natomiast poszczególne słowa przesyłane

są szeregowo, jedno po drugim (

dzięki

temu transmisja równoległa jest znacznie

szybsza od szeregowej

• Wadą interfejsów równoległych jest

większy koszt okablowania – każdy bit

danego słowa wymaga oddzielnej linii.

Interfejs RS 232C

• Standard interfejsu

RS-232

został określony już w

1962 roku.

• Jego poprawioną wersję RS-232C zdefiniowano w

1969 roku.

• W standardzie RS-232 określono sposób połączenia

urządzeń w celu szeregowego przesyłania danych.

• W skład ogólnej struktury układu transmisyjnego

wchodzą dwa urządzenia końcowe dla danych

DTE

(ang.

Data Terminal Equipment

) np. komputery

połączone kanałem teletransmisji.

• Ponieważ bezpośrednie połączenie takich urządzeń z

kanałem teletransmisji jest niemożliwe, wykorzystuje

się dodatkowe urządzenia komunikacyjne dla

przesyłu danych

DCE

(ang.

Data Communication

Equipment

)

Interfejs RS 232C

Celem interfejsu RS-232 jest połączenie urządzenia DTE z

urządzeniem DCE.

•

Przykład najprostszego połączenia przyrządu
pomiarowego z komputerem z użyciem interfejsu RS-
232.

Wykorzystane w nim są tylko 3 linie spośród ogólnej liczby

21 linii interfejsu.

Interfejs RS 232C

Przy wykorzystaniu interfejsu RS 232 najczęściej

stosuje się transmisję asynchroniczną start-

stopową, w której słowa w postaci ciągu bitów

przesyłane są asynchronicznie, natomiast bity

w poszczególnym słowie przesyłane są

synchronicznie.

Interfejs RS 232C

• Maksymalna prędkość transmisji zależy od

długości połączeń.

• Zaleca się prędkości

do 20 kb/s

, m.in. 150,

300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 kb/s.

• Długość połączeń nie powinna przekraczać

zwykle 15 m

• Przy krótkich połączeniach prędkość transmisji

można zwiększyć

do 112 kb/s

• Zwiększenie zasięgu ponad 15 m umożliwia

zastosowanie tzw. pętli prądowej.

Stan „1” reprezentuje prąd o wartości 20 mA,
stan „0” – brak przepływu prądu.

Interfejs RS 232C

• Zastosowanie interfejsu RS-232 w

warunkach przemysłowych jest

ograniczone.

• Przyczyną tego jest brak dostatecznych

zabezpieczeń przed zakłóceniami oraz

ograniczona szybkość i odległość

transmisji.

• Ograniczenia te spowodowały

powstanie nowych standardów

transmisji szeregowej.

Interfejs RS 485

• Najbardziej popularnym z nich stał się

opracowany w 1983 roku standard

RS-485

• Najważniejsze cechy tego standardu to

możliwość dołączenia

do 32 odbiorników i

nadajników

oraz zwiększenie prędkości

transmisji

do 10 Mb/s

przy maksymalnej

odległości

1200 m

Standard GPIB

• Przesyłanie przez magistralę informacji w

postaci bajtów odbywa się

asynchronicznie,

ze zwrotnym potwierdzeniem odbioru

• Do magistrali można dołączyć jednocześnie

do 15 urządzeń

• Długość kabla między dwoma sąsiednimi

przyrządami nie powinna przekraczać

2 m

• Całkowita długość wszystkich kabli

20 m

• Przez magistralę można przesyłać dane z

szybkością

do 1000 kb/s

System pomiarowy z

magistralą GPIB

• Magistrala składa się z 16 linii sygnałowych: 8 linii

danych, 3 linii synchronizacji i 5 linii sterowania.

• Linia

IFC

(ang. Interface Clear – zerowanie interfejsu)

służy do wprowadzenia wszystkich przyłączonych do
magistrali urządzeń w określony stan początkowy.

• Linia

REN

(ang. Remote Enable – sterowanie zdalne)

służy do przełączania przyrządów na zdalne sterowanie,
dokonywane z magistrali GPIB.

• Linia

SRQ

(ang. Service Request – żądanie obsługi)

sygnalizuje kontrolerowi, że jedno lub więcej urządzeń
przyłączonych do magistrali żąda obsługi, np. w celu
przesłania wyniku pomiaru.

System pomiarowy z magistralą

GPIB

• Linia

EOI

(ang. End or Identify – koniec lub

identyfikacja) w trybie przesyłania danych sygnalizuje

bajt kończący transmisję natomiast w trybie przesyłania

instrukcji sygnalizuje, że kontroler dokonuje sprawdzenia,

które z przyłączonych urządzeń żądało obsługi.

Grupa trzech linii synchronizacji umożliwia asynchroniczne

przesyłanie informacji ze zwrotnym potwierdzeniem

odbioru.

• Linia

DAV

(ang. Data Valid – dane ważne) służy

nadajnikowi do poinformowania, że na liniach DIO jest

nowy bajt danych.

• Linia

NRFD

(ang. Not Ready for DATA – nie gotowy na

dane) podaje informację, że nie wszystkie urządzenia są

gotowe do odbioru danych. Przesłanie danych może

rozpocząć się gdy wszystkie urządzenia wytypowane jako

odbiorniki zgłoszą swoją gotowość.

Urządzenia zewnętrzne GPIB

Urządzenie dołączone do magistrali GPIB można

podzielić na cztery grupy

odbiorcy

- mogą jedynie odbierać dane (np.

zasilacz programowany, komutator, drukarka),

nadawcy

– mogą jedynie wysyłać dane (np.

licznik, termometr),

nadawcy/odbiorcy

– mogą wysyłać lub odbierać

dane (np. multimetr, oscyloskop cyfrowy),

kontroler

– jednostka sterująca, która może

również spełniać rolę nadawcy lub odbiorcy (np.
komputer).

Magistrale komputerowe w

zastosowaniach pomiarowych

Uniwersalna magistrala szeregowa

USB

• Uniwersalna magistrala szeregowa

USB

(ang.

Universal Serial Bus

) została

wprowadzona do komputerów w 1995

roku.

• Charakteryzuje się ona łatwą instalacją

dołączonych do niej urządzeń –

dołączone do portu USB urządzenia

mogą być z niego zasilane oraz można

je łączyć i rozłączać w trakcie pracy

komputera.

Magistrala USB

• Magistrala USB

wykorzystuje

kabel

czterożyłowy

, w którym są

dwa

przewody sygnałowe

dwa przewody

zasilania

• Maksymalna szybkość transmisji to

Mb/s

, a w wersji

USB 2.0 480 Mb/s

• Zaletą magistrali jest łatwa rozbudowa

– przy pomocy koncentratorów

magistrala pozwala na

dołączenie do

127 urządzeń

Magistrala szeregowa

IEEE-1394 Fire Wire

• Magistrala szeregowa Fire Wire została

wprowadzona przez firmę Apple Computer

w 1986 r.

• Magistrala służy do łączenia zarówno

urządzeń domowych (cyfrowe kamery,

aparaty fotograficzne, magnetowidy) jak i

urządzeń przemysłowych, w tym

przyrządów pomiarowych.

Magistrala szeregowa

IEEE-1394 Fire Wire

• Magistrala Fire Wire jest

czteroprzewodowa

(dwa przewody

sygnałowe i dwa przewody zasilana) oraz

umożliwia dołączanie i odłączanie

urządzeń w trakcie pracy bez konieczności

wyłączania zasilania.

• Maksymalna liczba urządzeń dołączonych

do magistrali wynosi

• Szybkość transmisji wynosi

do 3200 Mb/s

dla magistrali w wersji IEEE1394b.

Interfejs równoległy Centronics

• Interfejs równoległy Centronics wykorzystywany

jest w komputerze do dołączenia drukarki. Można
go również wykorzystać do dołączenia urządzeń
pomiarowych.

• Posiada on

8 bitową równoległa szynę danych

oraz

kilka linii sterujących

, które można również

wykorzystać do przesyłania danych.

• Maksymalna szybkość przesyłanych danych w

najnowszym trybie pracy interfejsu

EPP

(ang.

Enhanced Parallel Port

) i

ECP

(ang.

Enhanced

Capability Port

) wynosi

do 500 kB/s

Transmisja danych pomiarowych

na duże odległości

Łączenie sprzętu pomiarowego przez sieć

Ethernet

• Ethernet jest rodzajem sieci lokalnej, opracowanej w

1976 roku. Ethernet umożliwia

przesyłanie danych

przez skrętkę, kabel współosiowy lub światłowód

, z

prędkością

10 Mb/s

, a w wersji Fast Ethernet

100

Mb/s

• Połączenie przyrządów pomiarowych z

wykorzystaniem Ethernetu pozwala na budowę

rozproszonych systemów pomiarowych o dużym

zasięgu.

• Przyrządy pomiarowych wyposażone w jeden ze

standardowych interfejsów pomiarowych łączy się z

siecią Ethernet z wykorzystaniem odpowiednich

modułów pośredniczących. Dostępne są moduły

GPIB/Ethernet, RS-232/Ethernet/, RS-

485/Ethernet.

Systemy pomiarowe z

wykorzystaniem

radiomodemów

• W przypadku gdy obiekt pomiaru znajduje się

w trudnodostępnym miejscu, lub budowa linii

przewodowej jest kosztowna, stosuje się w

systemach pomiarowych przesyłanie danych

przez wydzielone kanały radiowe z

wykorzystaniem radiomodemów.

• Zadaniem radiomodemów jest

emitowanie i odbieranie sygnałów

radiowych, przetwarzanie danych

cyfrowych na emitowane sygnały oraz

przetwarzanie odebranych sygnałów na

dane cyfrowe.

Systemy pomiarowe z

wykorzystaniem

radiomodemów

• Radiomodemy wyposażone są najczęściej w

interfejs RS-232 lub RS-485

, przez który łączą

się z przyrządami pomiarowymi.

• Systemy radiomodemowe umożliwiają

transmisję danych na odległość od ok. 100 m

do 100 km

•

Radiomodemy wykorzystują wybrane pasma

częstotliwości dla radiokomunikacji

przemysłowej i wymagają zezwolenia

Państwowej Agencji Radiokomunikacji (PAR).

Systemy pomiarowe z wykorzystaniem

telefonii komórkowej GSM

•

Gdy obiekt pomiaru lub odbiorca wyników

znajdują się w ruchu np. w poruszającym się

pojeździe lub gdy odległość między obiektem

pomiaru i odbiorcą wyników jest bardzo duża

można zastosować w systemie pomiarowym

cyfrowy system telefonii ruchomej GSM

(ang.

Global System of Mobile

Communications

•

Funkcje bezprzewodowego terminala oprócz

telefonu komórkowego może również realizować

komputer typu laptop z kartą

PCMCIA

pełniącą

funkcję telefonu komórkowego.

Przesyłanie danych można

realizować z wykorzystaniem jednej z

kilku metod:

Transmisja bez zestawiania połączeń SMS

Transmisja umożliwia realizację usługi

SMS

(ang.

Short

Message Service

), czyli przesyłania krótkich

komunikatów alfanumerycznych o długości

do 160

znaków

do innych stacji ruchomych.

2. Transmisja z komutacją łączy (w skrócie transmisja

komutowana).

SDT

(ang.

Switched Data Transfer

) - standardowa

transmisja danych realizowana w jednym kanale

rozmównym, szybkość transmisji

9.6 kb/s

HSCD

(ang.

High Speed Circuits Switched Data

) –

szybka, wielokanałowa transmisja danych realizowana

przez jeden do czterech kanałów rozmównych, z

szybkością od

14.4 kb/s

przy wykorzystaniu jednego

kanału rozmównego do

57.6 kb/s

z wykorzystaniem

czterech kanałów.

Przesyłanie danych można

realizować z wykorzystaniem

jednej z kilku metod:

Transmisja z komutacją pakietów

skrócie transmisja pakietowa). Umożliwia

realizację usługi

GPRS

(ang.

General

Packed Radio Service

), czyli nadawania i

odbioru pakietów danych z adresem

internetowym w nagłówku. Maksymalna

prędkość transmisji danych wynosi

115.2

kb/s

Zaletą transmisji GPRS jest koszt

proporcjonalny do liczby przesyłanych

danych , a nie do czasu połączenia.

Document Outline