Виртуальные измерительные приборы

Концепция виртуальных приборов

Времена, когда измерительные системы состояли из множества приборов и занимали целые лаборатории, уходят в прошлое. Мощность и доступность современных компьютеров позволяют использовать их для реализации алгоритмов, заложенных в традиционных приборах. Таким образом, роль измерительного устройства сводится к оцифровке сигналов, а их обработка и вывод результатов на экран осуществляется программными средствами:

Поскольку функциональные характеристики системы, построенной на базе виртуальных приборов, определяются программным обеспечением, простая плата АЦП/ЦАП может быть одновременно и вольтметром, и осциллографом, и генератором, и тензометром и каким угодно другим прибором, экономя рабочее пространство и средства пользователя.

Применение модулей АЦП/ЦАП и ноутбуков с программным обеспечением, эквивалентными целой измерительной лаборатории, значительно расширило возможности измерений в полевых условиях.

Использование технологии беспроводной связи между оцифровщиком данных и компьютером позволяет проводить измерения на подвижных элементах конструкции. Например, комплект плата АЦП/ЦАП + модуль Wi-Fi или Bluetooth устанавливается на подвижной части (на крутящемся валу медленно вращающейся турбины, на автомобиле), а ПК устанавливается на расстояние до 500 м (в зависимости от поставляемой антенны) на неподвижный участок.

Оцифровка сигналов может проводиться в автономном режиме с записью на флэш-накопитель, а обработка — после перенесения записанных сигналов на ПК. Помимо собственно значений сигнала могут записываться, например, координаты расположения устройства. При использовании программ картографии можно воссоздать траекторию движения объекта в процессе эксперимента, наблюдая одновременно положение объекта и его параметры в каждый отсчет времени.

Разделение аппаратных и программных ресурсов позволило строить распределенные измерительные системы. В узлах сбора данных располагаются платы АЦП/ЦАП, которые подключаются к компьютеру по линиям Ethernet. С синхронизацией устройств по GPS и/или ГЛОНАСС, сигналы от всех плат поступают в компьютер единым потоком и обрабатываются одновременно.

Развитие концепции виртуальных приборов открыло новый этап в создании автоматизированных систем. Использование объектно-ориентированных прикладных программных средств позволяет создавать уникальные приложения с системой анализа и сценариями работы не только программистами, а, например, технологами.

Таким образом, можно выделить следующие преимущества виртуальных приборов:

• снижение затрат;
• экономия места в лаборатории;
• параллельный анализ множества параметров;
• расширение областей применения: в полевых условиях, измерения на подвижных элементах конструкций, в автономном режиме;
• построение многоканальных распределенных систем;
• упрощение создания автоматизированных систем.

Типы виртуальных приборов

Выбор того или иного виртуального устройства определяется спецификой задачи. По уровню сложности виртуальные приборы можно разделить на 3 категории:

1. Готовое решение определенной задачи — ориентация на простоту использования:
   • АКТАКОМ компании «ЭЛИКС» (Россия)
   • ZETSCOPE ООО «ЭТМС» (Россия)
2. Виртуальная лаборатория — ориентация на многофункциональность:
   • WinПОС НПП «МЕРА» (Россия)
   • ZETLAB ООО «ЭТМС» (Россия)
3. Модули для построения измерительной системы — ориентация на гибкость:
   • LabView фирмы «National Instruments» (США)
   • ZETVIEW ООО «ЭТМС» (Россия)

Готовые решения являются эквивалентами традиционных приборов. Интерфейс таких виртуальных приборов максимально приближен к внешнему виду их автономных аналогов, поэтому для работы с ними пользователю достаточно уже имеющихся у него знаний. Недостатком таких систем является отсутствие гибкости, но они просты в настройке и использовании.

Принцип модульного построения измерительной системы предоставляет пользователю максимальную гибкость, предполагая у него, при этом, некоторую квалификацию в области программирования. Прежде чем приступить к измерениям, необходимо еще «собрать» виртуальный прибор из предлагаемых блоков. Явным преимуществом такой системы является её полное соответствие потребностям пользователя. Данные виртуальные приборы используются для построения сложных автоматизированных систем управления и сбора данных.

Прежде чем приступать к построению собственной измерительной системы, следует обратить внимание на виртуальные лаборатории, которые включают в себя большинство необходимых приборов, отвечающих принятым стандартам. Имея в распоряжении множество программ, пользователь настраивает систему в соответствии со своими потребностями.

Виртуальные приборы ZETLAB

Программное обеспечение ZETLAB представляет собой виртуальную лабораторию, состоящую более чем из 50 приборов. Все приборы разделены на группы по назначению: анализ, измерение, отображение, генераторы и т.д. К различным устройствам АЦП/ЦАП поставляются различные пакеты программы, соответствующих их назначению и характеристикам.

Также программы ZETLAB различаются по уровню сложности. Например, вольтметр имеет лишь три опции: переключатель времени усреднения, переход на представление результатов в дБ, переключатель измерения СКЗ или амплитудного значения. В то время как в генераторе реализовано 12 различных типов сигналов, начиная от синусоидальных и импульсных, и заканчивая кодами Баркера, каждый из которых имеет свои параметры.

Помимо базовых устройств, таких, как вольтметр, генератор и т.п., ZETLAB предоставляет мощные средства для обработки сигналов. Одна только программа ZETФормула реализует десятки математических и измерительных функций, содержит более 20 видов фильтров и позволяет работать как с исходными, так и с обработанными сигналами.

В ZETLAB данные могут анализироваться параллельно несколькими программами, кроме того, программы могут использовать результат измерений друг друга. Например, оцифрованный сигнал может быть сначала подвергнут фильтрации, после чего произведены вычисления, а конечный результат отображен на графике в двух- или трехмерном виде.

В программное обеспечение ZETLAB также входят решения, такие как измерение АЧХ с обратной связью, регулятор, обнаружитель событий, которые используют в своей работе результаты измерений одних программ (например, вольтметр, термометр), управляя при этом подключенными к ПК устройствами с помощью других программ (например, генератор, коммутационный блок).

Автор: Коновалова Т.Н.
Статья опубликована в журнале МКА ВКС в номере 6 2010