Метода с пятью лабораторными работами по дисциплине Тех. измерения и приборы (ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА5)

Посмотреть архив целиком

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

«ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ»


1. Цель работы: Изучение и конфигурирование многофункциональной платы сбора данных. Экспериментальное исследование комплекса «Измеритель линейных перемещений - ССД-ЭВМ»


2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ


2.1 Устройства и системы аналого-цифрового преобразования сигналов.

При построении устройств, использующих ЭВМ для управления и контроля сложными производственными процессами, можно обрабатывать в реальном масштабе времени сигналы, поступающие одновременно от многих источников и датчиков, и восстанавливать аналоговую информацию на выходе МП или ЭВМ, а также распределять ее между различными исполнительными устройствами. При этом возникает задача аналого-цифрового многоканальной информации, имеющей некоторые особенности, связанные с различием характеристик сигналов отдельных каналов: динамического диапазона изменения, уровня помех, частотного спектра и т.д. Отсюда вытекает необходимость нормализации сигналов различных датчиков.

Устройства, осуществляющие нормализацию и аналого-цифровое преобразование сигналов с последующим вводом информации в ЭВМ, называют системами сбора данных (ССД).

Обычно источники сигналов и каналы связи располагают вблизи от агрегатов энергетических установок, электрических кабелей и другого электротехнического оборудования, которое является источником помех. Помехи вносят погрешности в аналоговые сигналы и искажают цифровые данные. Поэтому одной из основных задач ССД является улучшение качества сигналов, поступающих от различных датчиков. Качество сигнала в наиболее компактной форме выражается в виде отношения сигнал/шум в тракте от аналогового входа до цифрового выхода АЦП. Это отношение является универсальным показателем, позволяющим оценить характеристику ССД, основной задачей которой является получение такого соотношения сигнал/шум в каждом канале ССД, которое обеспечило бы требуемую точность преобразования и длину слова на входе микропроцессора или ЭВМ. Действительно, нетрудно показать, что использование многоразрядного АЦП будет оправданным только тогда, когда обеспечивается достаточное отношение сигнал/шум на входе преобразователя, иначе младшие разряды АЦП бесполезны, так как воспроизводят лишь помехи. Широко распространены структуры ССД с мультиплексированием аналоговых и цифровых сигналов, позволяющие обеспечить высокую производительность и качество преобразования.

Структурная схема ССД с мультиплексированием аналоговых сигналов представлена на рисунке 1. В состав схемы нормализации ССД обычно входят операционные усилители, фильтры нижних частот для улучшения качества сигналов (увеличения соотношения сигнал/шум) и масштабирования, т.е. согласования максимального уровня сигналов с напряжением полной шкалы АЦП. Частоту среза фильтров нижних частот устанавливают из условия сохранения частотного спектра полезных сигналов. Использование фильтров нижних частот защищает АЦП от шумов с частотой выше самой высокой информативной составляющей сигнала.

В рассматриваемой схеме используется один АЦП с УВХ, работающий совместно с аналоговым мультиплексором, который преобразует многоканальную информацию в одноканальную и подает ее последовательно на АЦП, откуда она, соответствующим образом сформированная, поступает на ЭВМ. Высокая производительность такой ССД достигается совмещением коммутации очередного канала данных с преобразованием в АЦП информации из предыдущего канала. Эти системы называются последовательными.

Компьютеры в наше время становятся не только вычислительными средствами, они превращаются в универсальные виртуальные измерительные приборы. Устройства на основе персонального компьютера (ПК) заменяют стандартные измерительные приборы: вольтметры, самописцы, осциллографы, магнитофоны, спектроанализаторы и другие, на системы виртуальных приборов.

Такая система состоит из ПК и одной-двух плат сбора данных (ПСД), причем, программная часть виртуального прибора может эмулировать переднюю управляющую панель стационарного измерительного устройства. Платы ПСД позволяют превратить ПК в универсальную измерительную лабораторию. Характеристики такого прибора: динамический и частотный диапазоны, чувствительность, разрешение и другие характеристики определяются выбранными устройствами ПСД. Знание этих характеристик позволяет более корректно решать задачу применения АЦП в реальных условиях и дает возможность до эксперимента оценить погрешности, вносимые всем аналого-цифровым каналом в конечный результат измерения.


Рисунок 1. Структурная схема ССД с мультиплексированием аналоговых сигналов.


Платы ПСД позволяют производить мониторинг технологических процессов; а также могут быть использованы как метрологические средства измерения для анализа сложных быстропротекающих процессов в различных областях научно-производственной деятельности.


2.2 Плата сбора данных ЛА-2 для компьютера.


Компьютер не может измерить и обработать аналоговый сигнал. Для решения этой проблемы существуют аналого-цифровые преобразователи (АЦП). В последние годы активно развивается еще одно направление - платы сбора данных (data acquisition boards или ПСД) для компьютера.

Плата ЛА-2 может в понятной для компьютера форме преобразовать и ввести в него информацию от первичных преобразователей сигналов-датчиков.

Существует распространенный протокол передачи сигналов в компьютер –

IЕЕЕ-480 (КОП).

Если оснастить компьютер интерфейсом, то можно переправлять данные от измерительных приборов в компьютер.

Для решения задач автоматизации или измерения надо оснастить компьютер ПСД и воспользоваться соответствующим программным обеспечением. Функциональная схема ПСД ЛА-2 приведена на Рисунке 2.


2.3 Работа по функциональной схеме.


Плата ЛА-2 содержит следующие независимые узлы: аналого-цифровой канал (АЦК), трехканальный счетчик-таймер, цифровой порт ввода-вывода и интерфейс ввода-вывода для IBM РС. Плата управляется от IBM PC и получает от компьютера только питание +5В (потребление 375 мА).

АЦК платы ЛА-2 состоит из входного мультиплексора, полного инструментального усилителя с изменяемым коэффициентом усиления, и собственно 12-разряцного АЦП с выборкой хранения. С помощью переключателя SA7 выбирают режим – 8 дифференциальных или 16 однополосных каналов. С помощью SA8 может быть задан коэффициент усиления инструментального усилителя -1,10 или любой в диапазоне 2...100 по выбору пользователя ЛА-2. (Для этого необходимо запаять резистор на предусмотренное место, рядом с SA8).

Далее следует 12-разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) последовательного приближения со временем преобразования 1,6 мкс. Этот же АЦП содержит устройство выборки-хранения (УВХ). Система УВХ-АЦП работает так: пока идет преобразование, УВХ находится в режиме хранения, в режиме выборки она находится остальное время. Переход в режим хранения происходит по заднему фронту импульса запуска АЦП. Время выборки 400 мс – это минимально необходимый интервал для выборки сигнала с необходимой точностью при работе ЛА-2 на предельных скоростях – 2 мкс. Используемый преобразователь имеет два переключаемых диапазона входных напряжений - ±15В и ±10В. Необходимый диапазон можно изменить переключателем SA9.

Рисунок 2. Функциональная схема ПСД ЛА-2


Таким образом, выбирая с помощью SA8 коэффициент усиления инструментального усилителя 1 или 10 и с помощью SA9 входной диапазон АЦП, можно получить четыре диапазона входных напряжений ЛА-2: ±0,5В и ±1В (при коэффициенте усиления инструментального усилителя 10) и ±5В и ±10В (при коэффициенте усиления инструментального усилителя 1). У инструментального усилителя может быть задан пользователем необходимый коэффициент усиления. Для этого нужно запаять на предусмотренное место резистор. Тогда добавятся еще два диапазона входных напряжений, которые будут выбраны Вами. Подробнее порядок расчета описан в п. 2.2.8 и п. 2.2.9

Для ЛА-2 кварцевый генератор имеет частоту 1,789763МГц, для ЛА-2А -1МГц. При этом необходимо помнить, что задающий кварцевый генератор общий как для АЦП, так и для таймера, используемого для формирования сигналов запуска АЦП. Запуск АЦП может быть программный, от таймера или от внешнего сигнала EXT_ST. Последние два режима выбираются программированием управляющего регистра ЛА-2. Это приводит к изменению источника запуска схемы синхронизации. При этом на SA3 должны быть замкнуты перемычками сигналы -ST и выход соответствующего канала таймера, а также ST и EXT_ST. Входной диапазон АЦП-УВХ - ±10В или ±5В в зависимости от положения переключателя SA9. Поэтому на входной мультиплексор ЛА-2 необходимо при коэффициенте усиления 1 подавать ±10В или ±5В при полной характеристике преобразователя АЦП. А при коэффициенте усиления инструментального усилителя 10, напряжение составит ±1В и ±0,5В. Если Вы до применения ЛА-2 не сталкивались с АЦК, полезно будет о знакомиться с Приложением 1 (Динамические характеристики АЦК).

Трехканальный счетчик-таймер реализован на микросхеме Intel Р82С54. Его сигналы выведены на SA3 и их можно использовать для запуска АЦП, а также, например, для реализации функции частотомера или периодомера. На вход СО (нулевой канал таймера) всегда подана тактовая частота с кварцевого генератора 1Мгц для ЛА-2А (улучшенный вариант) или для ЛА-2 подана частота с микросхемы делителя на 8 тактовой частоты кварцевого генератора материнской платы компьютера, что составляет на входе СО - 1,789763МГц. Это необходимо учитывать при использовании каналов таймера. Наличие высокостабильного кварцевого генератора на ЛА-2А, с точностью не хуже 10-6 позволяет задавать калиброванные, заранее известные интервалы, которые можно использовать не только для запуска АЦП, но и через переключатель SA3 для Ваших задач вне компьютера. Таймер может работать в режиме ждущего мультивибратора, генератора частоты и импульсов, счетчика событий. Режим выбирается программно от IBM PC. Если Вы до применения ЛА-2 не использовали таймер, будет полезно ознакомиться с Приложением II (Программируемый счетчик-таймер Р82С54).

Цифровой порт содержит16 цифровых линий: 8 линий на вывод (порт РА) и 8 линий на ввод (порт РВ). Линии вода и вывода независимы. Ввод стробированный по сигналу STR_D10. Запись в порт осуществляется уровнем логического нуля. На этом же разъеме ХР1, на который выведены линии цифрового порта, имеется сигнал EXT_INT – внешнее прерывание для IBM PC. Он подан на схему обработки прерываний для ввода в IBM PC. Для работы с внешними устройствами удобно использовать возможности каналов таймера. На 12 контакт ХР1 (РВО – входная линия цифрового порта) выведен через переключатель SA2 инвертированный выходной сигнал второго канала таймера – 02. Его можно использовать для стробирования цифрового порта на ввод, для синхронизации внешних устройств. При использовании совместно с платой восьмиканальных фильтров низких частот ЛА-ФНЧ8 этот сигнал используется для задания тактовой частоты для каналов устройства ЛА-ФНЧ8. На разъем ХР1 может быть подано питание +5В непосредственно с IBM PC через переключатель SA1.



3. СХЕМА РАСПОЛОЖЕНИЯ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ НА ПЛАТЕ ЛА-2



Рисунок 3


SA1 - переключатель, через который может быть подано напряжение +5В с

шины IВМ РС на 1 контакт разъема ХР1;

SA2 - переключатель, который вместо входа цифрового сигнала на 12 контакт ХР1 подключает инвертированный выход второго таймера 02. Этот сигнал может использоваться для синхронизации внешних устройств, в частности для синхронного запуска нескольких устройств ЛА-2 или для задания частоты среза фильтров низких частот серийного устройства ЛА-ФНЧ8, при этом вход РВО цифрового порта не отключается;

SA3 - переключатель выбора режимов запуска АЦП и режимов работы таймера платы

ЛА-2;

SA4 - переключатель, выбирает базовый адрес платы (используется шестнадцатеричная система для номера);

SA5 - переключатель, выбирает номер используемого прерывания IRQ (может принимать значения 10,11,12,14,15);

SA6 - переключатель, выбирает номер используемого канала ПДП, задается двумя вертикальными переключателями попарно (может принимать три значения 5,6 и7);

SA7 - переключатель выбора режимов работы полного инструментального усилителя платы (однополюсный или дифференциальный);

SA8 - переключатель коэффициента усиления инструментального усилителя (может быть равен 1, 10 или при установке пользователем соответствующего резистора на предусмотренное место, станет любым в диапазоне 2...100);

SA9 - переключатель, выбирает входной диапазон напряжений АЦП - ±5В или ±10В


4. СОСТАВ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА


Стенд состоит из следующих основных частей:

1. Персонального компьютера (Пентиум – 200Мгц);

2. ПСД платы типа ЛА-2 (находится отдельно от ПК в антистатическом конверте);

3. Программного обеспечения для платы ЛА-2 (одна дискета);

4. Объекта измерения (макет с нагружаемой балкой, оснащенный тензодатчиками);

5. Кабелем с разъемами;

6. Монтажного инструмента.



  1. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.


Элементы управления главного окна. Общий вид (Рисунок 4).



Рисунок 4


В верхней части окна программы сосредоточены основные элементы управления работой программы, отображением данных и т.д. Их условно можно разделить на следующие группы (на рисунке следуют слева на право и сверху вниз):

1. Кнопки управления окнами.

2. Оперативная регулировка параметров измерения.

3. Сохранение "картинки".

4. Действия над каналами.

5. Управление синхронизацией.

6. Возможности отображения данных.

Большинство из этих элементов управления снабжены всплывающими подсказками.


5.1 Кнопки управления окнами.


Кнопка отображения окна настроек. Выводит на передний план окно, содержащее элементы, позволяющие изменить неоперативные (ну, и некоторые оперативные) параметры программы.

Кнопка расстановки всех окон. При нажатии этой кнопки три основных окна (главное, настроек и рассчитанных параметров сигналов) займут весь экран, не перекрываясь при этом.


5.2 Оперативная регулировка параметров измерения.


Элементы управления оперативной настройкой параметров измерения предназначены и, что более удивительно, позволяют быстро установить необходимые для проведения измерений параметры.

Эта "ручка" позволяет оперативно (то есть прямо во время сбора данных) изменять объём собираемых для анализа данных. Он измеряется в словах на канал. Максимальный размер блока ограничен 64 словами.

С помощью этого элемента управления и можно оперативно менять частоту дискретизации сигнала на канал.

Для устройств с фиксированным набором частот дискретизации выбор производится именно из этого списка, а для устройств с возможностью плавного изменения частоты дискретизации диапазон возможных значений ограничен снизу 1Кгц, а сверху только максимально допустимой частотой дискретизации. Максимальная частота дискретизации также ограничивается пропускной способностью шины ISA. На современных компьютерах пропускная способность шины ISA (при частоте 8Мгц) составляет примерно 1Мб/сек, что соответствует частоте дискретизации 500Кгц для 16-битных плат. Если шине не хватает пропускной способности при высокой частоте дискретизации, данные, наверняка, будут искажены, и Вы у видите на экране "кашу".


Эти два комбинированных списка задают каналы, по которым надо произвести измерения, в стиле "от и до". Это означает, что отображаются графики сигналов от канала с меньшим номером до канала с большим номером.

Данный комбинированный список позволяет просматривать каждый канал по отдельности или работать в "полноценном" режиме, если выбрать строчку "все".

Это список коэффициентов усиления, поддерживаемых платой. Выбранное значение распространяется на все каналы единообразно.


Эта кнопка запускает сбор данных. На экране должен начать "бежать" сигнал.



5.3 Сохранение "картинки".


Эти две кнопки позволяют сохранить изображение сигнала вместе с масштабной сеткой в буфер обмена или в файл.


Нажатие на эту кнопку приводит к помещению "картинки" в буфф обмена. Далее Вы можете вставить картинку в Ваш любой документ с помощью текстового или графического редактора.

Кнопка сохранения "картинки в файл". При нажатии на кнопку выводится стандартный диалог сохранения файла. С его помощью надо задать имя картинки и место, куда она будет сохранена.


5.4 Действия над каналами.


Эта кнопка позволяет выбрать канал, над которым Вы можете произвести одно из трёх действий: "засинхронизовать", "перетащить" или выбрать для просмотра данных в числовом виде в цифровой области окна осциллографа. Номер канала, изображённый в этой кнопке, в некоторых случаях может, казалось бы, не соответствовать указанному диапазону каналов, по которым производится измерение. Это не так, манипуляции над этим каналом в такой ситуации будут совершаться "заочно". Просто надо выбрать один из воочию "видимых" каналов.


С помощью этой кнопки выбираются указанные в предыдущем абзаце действия манипуляции с сигналами выбранных кнопкой левее каналов.



5.5 Управление синхронизацией


Эта группа кнопок позволяет управлять синхронизацией сигнала. Две кнопки слева имеют два состояния: нажатое и отпущенное.


Если одна из них находится в нажатом состоянии, то включается синхронизация. Левая кнопка включает синхронизацию по фронту, правая - по спаду. Следующая кнопка имеет так же два состояния, и её нажатие включает режим настройки уровня синхронизации и размера предыстории. При этом в графической области появляется крестообразный маркер (курсор), отмечающий текущий уровень синхронизации и размер предыстории.


Нажатие на эту кнопку приводит к появлению всплывающего ползунка, с помощью которого можно настроить "чувствительность" программной синхронизации. Текущее значение чувствительности отображается в окошке справа от ползунка. Для сильно зашумлённого сигнала более подходит более высокая "чувствительность", для довольно "чистого" сигнала или при низкой частоте дискредитации подойдёт меньшая "чувствительность".


Эта кнопка выбирает режим работы программной синхронизации. Их всего три: синхронизация только одного канала (аналог аппаратной), синхронизация всех каналов по одному уровню и с одинаковым для всех каналов размером предыстории, синхронизация

каждого канала по отдельности с персональным уровнем синхронизации и размером предыстории.


5.6 Возможности отображения данных.


К возможностям отображения данных относятся: включение режима анализа спектра сигнала, переключения режима отображения графика линиями или точками, перемещение графиков в рабочей части осциллографа для удобства анализа и сравнения многоканальных данных. Также можно включить режим высококачественного отображения графиков сигналов. В высококачественном режиме отображения точно отображаются цвета, линии сглаживаются (выглядят не ступенчатыми, а прямыми).


  1. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.


Предупреждение: Приступая к выполнению работы с платой ПСД, следует обязательно снять с себя потенциал статического электричества, для того чтобы не вывести из строя плату ПСД и персональный компьютер. Действия с платой производят преподаватель или лаборант в следующей последовательности:

- Вынуть плату ЛА-2 из антистатического пакета и закрепить в держателе.

- Отвинтить крепежные винты кожуха ПК и снять кожух.

- Подсоединить разъем интерфейсного кабеля к измерительному макету.


А. С помощью установочных джамперов и переключателей на плате ЛА-2 произвести конфигурацию платы ЛА-2 в соответствии со следующими пунктами:

1. Выдача +5В на внешний разъем ХР1;

2. Выдача сигнала таймера на внешний разъем;

3. Выбрать запуск АЦП и таймера в режиме 1 (ждущий мультивибратор);

4. Выбрать базовый адрес -310 (hex);

5. Выбрать номер прерывания ПУЗ PC-IRQ 10;

6. Выбрать режим инструментального усилителя – дифференциальный;

7. Установить коэффициент усиления инструментального усилителя равным 10;

8. Выбрать входной диапазон АЦП ±5В.


Б. Произвести конфигурацию платы ЛА-2 для подключения измерительной системы с тензорезисторами:

1. Измерить диапазон напряжений на выходе измерительной системы с тензорезистарами;

2. Сконфигурировать плату для работы с измерительной системой:

- Выбрать режим запуска АЦП и таймера;

- Выбрать режим инструментального усилителя;

- Установить необходимый коэффициент усиления инструментального усилителя (при помощи джемперов);

- Выбрать входной диапазон АЦП.

3. Плату вставить в слот ISA материнской платы компьютера и закрепить винтом. Закрыть кожух компьютера;

4. Включить компьютер;

5. Загрузить программное обеспечение;

6. Сконфигурировать программное обеспечение для работы с измерительной системой:

7. Выполнить действия в соответствии с порядком выполнения лабораторной работа №1 «Исследование измерительной системы с тензорезисторами»;

8. Записать результаты измерений и параметры конфигурирования платы в отчет по лабораторной работе.







Случайные файлы

Файл
122462.rtf
186874.rtf
46687.rtf
36430.rtf
143791.doc




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.