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:

Cтруктурная схема автономного измерительного устройства

Cтруктурная схема автономного измерительного устройства

Cтруктурная схема виртуального прибора

Cтруктурная схема виртуального прибора

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.

Замена реальных приборов виртуальными

Замена реальных приборов виртуальными

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.

Cтруктурная схема распределенной системы сбора данных

Cтруктурная схема распределенной системы сбора данных

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.

Виртуальная лаборатория ZETLAB

Виртуальная лаборатория ZETLAB

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