Miroslav Luňák
Automatizace měření se zaměřením
na Python, přístroje Agilent, sběrnici GPIB a knihovnu VISA,
v prostředí Windows XP
2
Obsah
Instalace softwarových součástí.......................................................................................................3
Vytvoření jednoduchého automatizovaného měřícího celku PC-ovládací karta-měřící přístroj .....4
Práce v PythonWin.......................................................................................................................4
Propojení USB-měřící karta GPIB - přístroj................................................................................5
Vytvoření programu (skriptu) pro ovládání jednoduchého automatizovaného měřícího celku
s možností „odlaďování doma“........................................................................................................6
Simulace měření...........................................................................................................................6
Vytvoření „exe“ souboru z „pythonovského“ programu .................................................................9
Ukládání dat do souboru a cyklus ..................................................................................................11
Aplikace pro měření VA charakteristiky diody .............................................................................13
3
Instalace softwarových součástí
Rozhodli jsme se sestavit ovládání přístrojů prostřednictvím sběrnice GPIB(IEEE 488) a za použití
programovacího jazyka Python. Začneme stáhnutím a nainstalováním základních součástí.
Upozornění na začátek: pokud vám nepůjde některá část nainstalovat, je možné, že budete
potřebovat jinou verzi konkrétní aplikace, například pro Windows Vista, nebo jiný než 32-bitový
systém.
Dotazy můžete směřovat na Mgr. Miroslav Luňák, Ph.D. (lunak@dp.fce.vutbr.cz).
1. Začneme stažením instalačního souboru jazyka Python (ver.2.7.1) a nainstalujeme.
2. Stáhneme pomocnou aplikaci-prostředí pro pohodlnou editaci programů v jazyce python,
PythonWin-pywin a nainstalujeme.
3. Je doporučeno (ale není nutné) stáhnout vědeckou knihovnu pro python, má název Scipy a
nainstalovat. Bude se jednou hodit pro případ použití složitějších matematických funkcí
(FFT).
4. Zájemci o práci s databázemi (není náplní kurzu) ocení pysqlite, tento krok však můžeme
vynechat.
5. Pro komunikaci s přístroji od firmy Agilent pomůže balíček pyvisa,více se dočteme zde.
6. Kdo chce své programátorské počiny převádět do „*.exe“, může využít Py2exe, více zde.
7. Poslední, ale pro skutečně zapojená zařízení jako budou: USB-GPIB karta pro ovládání
přístrojů Agilent a nebo samotné přístroje Agilent, je velmi vhodná instalace ovladačů
komunikačních karet, shrnutých v trochu objemnější instalačce IOLibSuite (Input/Output
knihovny) od firmy Agilent.
Nyní máme vše podstatné nainstalováno.
Vytvoření jednoduchého automatizovaného měřícího celku PC-ovládací kartaměřící
přístroj
Předpokládá se, že máme nainstalovány součásti podle návodu na první straně. Zapojení
měřící(ovládací)karty a měřícího přístroje provedeme později.
Další kroky předpokládají nejzákladnější znalosti programování v jazyku Python.
Práce v PythonWin
Spustíme aplikaci PythonWin. Objeví se okna podle obrázku 1.
Obrázek 1 Okno PythonWin po spuštění
V Interactive Window se už dá programovat v souladu s návodem ze stránek Programujte.com. My
však chceme vytvářet programy, které budeme chtít ukládat na harddisk a nebo ještě víc, šířit je
jako spustitelné exe soubory u kohokoliv jiného.
Klikneme na ikonu vypadající jako bílý list (New) a dáme v dialogovém okně OK-souhlas
s vytvořením nového skriptu(volba Python Script). V novém okně můžeme začít psát první řádky
našeho programu, správně skriptu. Je dobré vyzkoušet si funkci různých prvků v nástrojové liště,
4
stačí třeba maximalizovat nové okno skriptu a hned například v menu Windows klikneme na Tile a
máme okna zarovnána přehledně nad sebou.
Nyní vepíšeme do okna skriptu řádky programu, stejně jako jsou uvedeny na obrázku 2. Pozor, text
za mřížkou (#) nemusíme vpisovat, na běh programu nemá vliv, jedná se pouze o textové
poznámky.
Obrázek 2 PythonWin a skript mereni_odporu.py
Uložíme náš program pod libovolným názvem, v našem případě byl použit název mereni_odporu.
V adresáři pak vidíme celý název „mereni_odporu.py“.
Propojení USB-měřící karta GPIB - přístroj
Než spustíme program, musíme ještě propojit přes USB vstup měřící kartu Agilent (podle typu
karty je možné i jiné zapojení) a kartu spojit přes GPIB sběrnici (rozhraní) s přístrojem Agilent
5
34401A. Přístroj zapneme a měřící karta musí svítit po automatické inicializaci zeleně. O správné
konfiguraci přístroje a správné inicializaci se přesvědčíme v aplikaci Agilent Connection Expert.
Obrázek 3 ukazuje neinicializovaný přístroj Agilent s adresou 15. Pro pokus o inicializaci
provedeme „Refresh“ zařízení.
Obrázek 3 Agilent Connection Expert
Pokud je u přístroje ikonka („fajfka“) zelené barvy, můžeme spustit program kliknutím na ikonku
černého běžce (závodníka) v nástrojové liště. V okně Interactive Window se zobrazí v řádku číselný
údaj naměřené hodnoty elektrického odporu. Pokud se ozvalo pípnutí přístroje, nebo se v okně
zobrazilo hlášení o chybě, je něco špatně.
Vytvoření programu (skriptu) pro ovládání jednoduchého automatizovaného
měřícího celku s možností „odlaďování doma“
Simulace měření
Protože ne vždy bude možnost tvořit aplikaci za použití měřících přístrojů, nahradíme si přístroj
jednoduchou softwarovou funkcí, která nám bude posílat smyšlené údaje. Provedeme několik úprav
v našem programu. Použijeme skript (program) z předchozí kapitoly (obrázek 2), upravíme
zdrojový kód podle obrázku 4 a uložíme pod novým názvem.
6
Obrázek 4 Zdrojový kód "mereni_odporu_virtualne2.py"
Změny oproti předchozímu programu pečlivě zkontrolujte.
Nyní nebudeme nic zavírat a otevřeme nový skript. Nazveme jej „visa_simul.py“ a vepíšeme do něj
řádky podle obrázku 5. Uložíme.
Obrázek 5 Zdrojový kód modulu "visa_simul.py"
Po zarovnání oken bude vypadat PythonWin okno třeba jako na obrázku 6.
7
Obrázek 6 PythonWin – třída, skript a interaktivní okno
Nyní se přesuneme zpět do okna skriptu “mereni_odporu_virtualne2.py“ a spustíme náš program.
Pokud se program vykonal úspěšně, uvidíme v Interactive Window jako poslední záznam dvě
náhodná přirozená číslo od 1 do 100. Jsme hotovi.
Navíc nám v místě uložení našeho programu přibyl soubor s názvem „visa_simul.pyc“, který bude
třeba v následující kapitole.
8
Vytvoření „exe“ souboru z „pythonovského“ programu
Předpokládáme, že máme funkční předešlý program s názvem „mereni_odporu_virtualne2.py“.
Nyní si ukážeme, jak transformovat náš program na program „mereni_odporu_virtualne2.exe“,
který si bude moct spustit i uživatel, který nemá na svém počítači nainstalovaný Python. Použijeme
k tomu už nainstalované py2exe.
Nejprve doplníme program „mereni_odporu_virtualne2.py“ o dva řádky (v obrázku 7 jsou to třetí a
poslední řádek), otestujeme a pokud pracuje správně, uložíme.
Obrázek 7 Doplnění hlavního souboru
Zkopírujeme hotový program „mereni_odporu_virtulane2.py“ do adresáře Python26 na disku C.
(C:\Python26\). Na stejné místo zkopírujeme soubor „visa_simul.pyc“. V prostředí PythonWin
zavřeme okna skriptů a otevřeme zcela nový skript, do kterého vepíšeme řádky podle obrázku 8.
9
Obrázek 8 Obsah setup.py souboru
Skript uložíme pod názvem „setup.py“ také do C:\Python26\. Je důležité správně vyplnit název
vašeho souboru uvnitř uvozovek. PythonWin můžeme zavřít.
V prostředí Microsoft Windows klikneme na Start-spustit a do řádku vepíšeme text
„c:\Python26\python setup.py py2exe“. Viz obrázek 9.
Obrázek 9 Spuštění tvorby exe souboru
Stlačíme klávesu Enter nebo klikneme na OK. Pokud je všechno v pořádku, začne se nám v černém
konzolovém okně velmi rychle vypisovat různý text, informující o probíhající tvorbě „exe“
souboru. Po skončení uvidíme v adresáři Python26 dvě nové složky „build“ a „dist“. Uvnitř složky
„dist“ nalezneme vygenerovány různé soubory, mezi kterými je očekávaný soubor
„mereni_odporu_virtualne2.exe“. Tento soubor zkopírujeme do libovolné prázdné složky,
abychom ověřili, zda samostatný exe soubor funguje. Po spuštění exe souboru v samostatné složce
zaregistrujeme chvilkové probliknutí nějakého černého okna-program nepracuje, nebo nepracuje
správně. Zkopírujeme ze složky „dist“ ještě další soubor s názvem „python26.dll“ do složky, která
dosud obsahovala pouze nový exe soubor. Pokusíme se znovu spustit exe soubor. Opět nepracuje.
Zkopírujeme další podpůrný soubor a to „library.zip“. Znovu se pokusíme o spuštění. Vidíme, že
černé konzolové okno se zviditelnilo na delší dobu, stačíme přečíst údaje -výsledek chodu programu
a po 2 sekundách se okno bez našeho souhlasu zavřelo. Program funguje!
10
V případě, že se opět nepodařilo spustit program, zkopírujeme do adresáře další podpůrné soubory.
Obrázek 10 Konzolové okno
Text předchozího odstavce měl za cíl ukázat, že existují podpůrné soubory, nezbytné k chodu naší
aplikace (exe). Množství takových souborů a jejich celková velikost se odvíjí od používaných
knihoven. Samozřejmě by bylo nejsnazší vzít všechny nově vygenerovaná soubory a ty šířit spolu
s novým exe souborem. Některé jiné programátorské nástroje (jiné jazyky a prostředí) mají
propracovanější funkce tvorby výsledného exe souboru, který by v sobě už obsahoval všechny
používané knihovny. Není vyloučeno, že lze na internetu nalézt jinou formu „setup.py“ skriptu,
který umožní vytvořit soběstačný exe soubor.( http://www.py2exe.org/). Pro seznámení s metodami
automatizace za použití moderních programovacích jazyků však uvedený postup stačí.
(Poznámka pro uživatele Total Commander: spuštění tvorby exe souboru lze provézt i
v příkazovém řádku v adresáři C:\Python26\ napsáním „python setup.py py2exe“.)
Ukládání dat do souboru a cyklus
Už umíme vytvořit samostatný funkční program, nyní jej obohatíme o ukládání naměřených dat do
textového souboru. A abychom mohli uložit efektivně víc než jednu sadu dat, seznámíme se
s cyklem, přesněji jedním z možných cyklů.
Otevřeme nový skript nebo upravíme některý dřívější podle programu na obrázku 11.
Samozřejmostí by mělo být uložení nového programu pod jiným názvem, než byl předchozí.
11
Obrázek 11 Program zahrnující ukládání do souboru a cyklus
Na 9. Řádku programu (prázdné řádky nezapočítány) se nachází syntaxe
soubor=file("textovysoubor.txt",'w'), která vytváří soubor s příponou txt a do kterého se bude pouze
zapisovat, proto je vedle názvu souboru uveden příznak w. Tento řádek lze nahradit použitím pouze
syntaxe soubor=open("textovysoubor.txt",'w'), která otevírá soubor s daným názvem pro zápis do
souboru. V případě, že soubor neexistuje, vytvoří se nový soubor. Po otevření souboru se začne
zapisovat na začátek souboru. V našem případě se jako první zapíše slovo namereno\n, jenže
poslední dva znaky nikdy v souboru běžně neuvidíme. Jedná se o formátovací znaky, které zajistí,
aby se příští zapsané slovo (číslo) umístilo na nový řádek souboru.
Může se vám stát, že budete chtít otevřít soubor s daty, aniž byste chtěli přepisovat už uložená data.
Zkrátka potřebujete pouze přidávat na konec souboru další a další údaje. K tomu slouží atribut
append, který uvedete v podobě „a“ místo „w“ v řádku: soubor=open("textovysoubor.txt",'a')
Ještě nutná poznámka k práci se soubory: vždy po skončení používání souboru pro čtení nebo zápis
je nezbytné zavřít soubor. To je provedeno posledním řádkem našeho programu na obrázku 11.
Nyní se zaměříme na blok, uvozený syntaxí while x<10: . Než jsem k tomuto bloku přišli,
nadefinovali jsme si proměnnou x a vložili do ní hodnotu „nula“. Pomocí syntaxe while x<10:
12
13
říkáme programu, aby obsah bloku prováděl opakovaně tak dlouho, dokud bude hodnota proměnné
menší než 10. Co provádí další řádky bloku-cyklu, je popsáno v obrázku. Pro lepší pochopení je zde
také výpis hodnot od multimetru na obrazovku (print) a zpomalení chodu programu (sleep) aby bylo
patrné opakované provádění bloku. Na konci bloku je provedena inkrementace (navýšení hodnoty)
proměnné x o „jedničku“. Kdybychom tento řádek vynechali, cyklus by se prováděl donekonečna a
my bychom museli přerušit chod programu (vpravo dole v oznamovací oblasti systému Windows
rozevřít případnou roletku a na ikoně aplikace PythonWin kliknout pravou myší a vybrat možnost
Break into runnig code.)
Existují ještě další příkazy typu cyklus (např for i in range(10): ) a podmínkové příkazy
(if podmínka1:), kterým souhrnně říkáme příkazy řídící běh programu. Těm se budeme věnovat
později.
Celý výsledek úspěšně spuštěného programu je pak uložen v souboru s názvem „textovysoubor.txt“.
Název si může zvolit každý sám. Do budoucna je dobré nepoužívat pro názvy souborů mezery ani
znaky diakritiky, vyhnete se pak komplikacím s načítáním jména souboru.
Aplikace pro měření VA charakteristiky diody
Ukázali jsme si, jak lze ovládat přístroje agilent za pomocí knihovny visa a jak provést libovolné
množství operací zadáním několika příkazových řádků. V této kapitole si ukážeme a krátce
vysvětlíme kód (jednoduchý příklad) aplikace, která bude ovládat zdroj elektrického napětí Agilent
E3631 a 2 multimetry agilent 34401A nebo 34410A, a která naměřená data uloží do souboru.
Praktické zapojení přístrojů a polovodičové diody je triviální. Na kladnou svorku výstupu zdroje
napětí s rozsahem 25V připojíme kladný vstup ampermetru, záporný napojíme na diodu (kladný
pól). Druhý vývod diody přivedeme na COM svorku zdroje napětí. Na diodu připojíme paralelně
voltmetr.
Při programování vystačíme s virtuální knihovnou.
Otevřeme nový nebo použitý skript a vepíšeme kód podle obrázku 12. Části kódu jsou detailně
popsány, přibyly některé instrukce pro nastavení zdroje napětí, které lze spolu s dalšími nalézt
v manuálu přístroje.
Zvláštní pozornost věnujme z programátorského hlediska novému řádku, který obsahuje syntaxi
zdroj.write("volt "+str(Uz)+"\n"). V závorce jsou zde uvedeny tři řetězce, první obsahuje povel pro
nastavení napětí zdroje, poslední obsahuje ukončovací znaky řetězce, posílaného přístroji přes
knihovnu (třídu) visa. Prostřední zápis provádí převod hodnoty proměnné Uz (napětí zdroje, které
požadujeme nastavit) na string-česky řetězec. Všechny řetězce pak laicky řečeno sečteme, spojíme
do jednoho řetězce. Zde se ukazuje další výhoda jazyka python při práci s řetězci. V ostatních
programovacích jazycích je práce s řetězci komplikovanější.
Podobně se zachováme i v řádku se syntaxí soubor.write(U+" "+I+"\n"), kde stejným způsobem
spojíme naměřená data do jednoho většího slova, určeného pro zápis do souboru i s oddělovačem
dvou hodnot, kterým je „mezera“. Všimněme si, že v tomto případě jsme nemuseli převádět
hodnoty číselných proměnných na řetězce. Vysvětlení tohoto rozdílu není v tuto chvíli podstatné.
Obrázek 12 Aplikace mereni_VA_diody.py
Druhým závažným případem v našem programu je zpomalení chodu běhu programu po odeslání
instrukce „nastav napětí zdroje“ sleep(1) #počkáme až zdroj nastaví napětí – v reálných
situacích není zdroj schopen nastavit napětí okamžitě, proto musíme před zahájením měření vyčkat
několik sekund a až pak provádět měření. V opačném případě bychom naměřili nesmyslné hodnoty
měřené veličiny. Prakticky zatím nekomunikujeme se zdrojem, zda už nastavil napětí, pouze chvíli
přerušíme vykonávání programu.
Třetím závažným povelem je „outp off“ na konci programu. Odpojíme výstupní obvod zdroje od
elektrického obvodu. Je to z ohledu na bezpečnost obsluhy. Pozor, některé elektrotechnické
součástky, zejména tenkovrstvé polovodičové součástky jsou choulostivé na prudké změny
14
15
elektrického potenciálu, které by nastaly odpojením od zdroje, také přechodové změny při
odpojování elektrické součástky mohou citlivé lasery nebo čipy zničit.
Za zmínku stojí také způsob výpisu naměřených dat na obrazovku. print U," ",I #tisk
napětí a proudu na obrazovku –zápis je velmi jednoduchý oproti jiným programovacím jazykům.
Na závěr nesmíme zapomenout na uzavření souboru před skončením vykonávání programu.
Nyní máme dostatečný základ pro vytváření aplikací pro automatizované měřící celky. Další
nástavbou by byly aplikace okýnkového typu (použití TKinter, Gtk), či vykreslování grafů v okně
aplikace (použití Matplotlib).