RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
1
Počítač v analytické laboratoři
Rozhraní přístroj-počítač
Ing. Pavel Houška, Ph.D.
houska.p@fme.vutbr.cz
Ústav automatizace a informatiky
Fakulta strojního inženýrství
Vysoké učení technické v Brně
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
2
Základní části digitálních přístrojů
* Elektrické vstupy/výstupy
* Komunikační rozhraní
* Uživatelské rozhraní
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
3
Analogové vstupy a výstupy
* Vstupy
­ komparátory
* porovnávají úroveň dvou vstupů vůči sobě nebo vůči referenční
hodnotě
­ A/D převodníky
* Výstupy
­ D/A převodníky
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
4
Princip převodu
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
5
Rozsah měření
* unipolární zapojení
­ měří napětí mezi zemí (0V) a
referenčním napětím UREF
* maximální měřená hodnota odpovídá
UREF
* minimální odpovídá 0V
­ umožňuje měřit pouze kladné
hodnoty napětí
* bipolární zapojení
­ měří napětí od - UREF do +UREF
­ umožňuje měřit kladné i záporné
hodnoty napětí
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
6
Vlastnosti převodníků
* Rozlišení
­ udává pomocí kolika bitů je reprezentován
* výsledek A/D převodu
* hodnota, která má být převáděna (D/A převod)
* Rychlost převodu
­ udává kolik hodnot/vzorků je převodník schopen převést za
sekundu, při dodržení udávané přesnosti
* jednotky - SPS ­ Samples Per Second
* někdy bývá uvedena závislost rychlost/přesnost
* Typické rozlišení / rychlost
* 24bit ­ od 1SPS do 10kSPS
* 16bit ­ od 10SPS do 1MSPS
* 12bit ­ od 1kSPS do 100MSPS
* 8bit ­ 1kSPS do 10GSPS
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
7
Více vstupů
* Multiplexované vstupy
­ jeden převodník/více vstupů
­ klesá rychlost měření
­ s počtem vstupů, klesá
cena/vstup
* Paralelně vzorkované
vstupy
­ jeden převodník / jeden
vstup
­ rychlost měření se nemění
­ velmi drahé
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
8
Přizpůsobení V/V
* Výstupy snímačů / vstupy ovládaných soustav je nutné
elektricky přizpůsobit V/V přístroje
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
9
Binární vstupy a výstupy
* Vstup
­ převádí napěťovou úroveň na vstupu na binární 0 nebo 1
podle předepsaného standardu
* Výstup
­ převádí binární hodnotu 0 nebo 1 na napěťovou úroveň
podle předepsaného standardu
* Standardy
­ 5V TTL/CMOS
­ 12V
­ 24V
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
10
Čítače / Časovače
* Čítač
­ čítá změny signálu na vstupu
* směr čítání
* rozlišení čítače
­ umožňuje
* čítat impulsy na vstupu
* generovat časově závislý signál na výstupu
* Časovač
­ čítač, který má na vstup přiveden signál
s konstantní frekvencí ­ tzv. časovou
základnu
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
11
Komunikační sběrnice
* Pro spojování přístrojů/PC
* Pro připojování snímačů
* Chytré snímače (SMART Sensor)
* Umožňuje získávat
­ parametry snímače
­ měřenou veličinu v číslicové podobě
­ diagnostiku snímače
* Kombinované snímače
­ Možnost připojit pomocí jako analogový nebo digitální
* Připojování výstupních prvků
* Pro připojování ovládacích prvků
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
12
Základní termíny
* Směr komunikace
­ Jednostranná komunikace
* na lince jsou připojena zařízení, která mohou pouze data vysílat
a nebo pouze přijímat
­ Oboustranná komunikace
* půlduplexní (jednočinná)
­ zařízení mohou komunikovat jedním směrem
­ komunikaci řídí jedno zařízení, které určuje kdo může vysílat
* fullduplexní (plný duplex, dvojčinná)
­ zařízení mohou komunikovat součastně oběma směry, tzn.
zařízení může součastně data vysílat i přijímat
* Přenosová rychlost
­ v bitech/s nebo Baudech
­ včetně režie protokolu
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
13
GPIB sběrnice
* General Purpose Interface Bus
* Standardizované rozhraní pro
komunikaci s přístroji
­ Možnost propojení jednoho PC
(řídicí systém) a až 14 přístrojů
­ Sběrnice je podporována většinou
výrobců měřících přístrojů
* V dnešní době stále častěji
vytlačována modernějšími
sběrnicemi
* Přístup
­ SW výrobců přístrojů
­ pomocí knihovny VISA
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
14
Local Area Network
* Vychází z referenčního modelu ISO/OSI
* Hardwarová úroveň
­ Ethernet
* ,,Drátový" protokol pro přenos dat
* Dominantní protokol
­ WiFi
* Bezdrátový protokol pro přenos dat
* Softwarová úroveň
­ TCP/IP
* adresování zařízení ­ IP adresa
* existuje velké množství nástrojů
­ knihoven
­ diagnostických nástrojů
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
15
Local Area Network
* Výhody
­ umožňuje realizovat rozsáhlé sítě
­ téměř neomezený počet přístrojů a PC v síti
­ vysoká rychlost
­ velmi pokročilé technologie
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
16
NI ­ Network-Published Shared Variable
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
17
Sériový port - hardwarová úroveň
­ UART (Universal Asynchronous Transmission)
­ Rozhraní
* RS232C ­ na PC označováno jako COM port
­ umožňuje propojení pouze dvou zařízení mezi sebou
­ pouze na krátké vzdálenosti
* RS422, RS485
­ umožňuje spojení několika zařízení na stovky metrů
­ vhodné do průmyslového prostředí
* Bezdrátové moduly
­ na trhu je množství modulů pro bezdrátovou UART komunikaci
­ je součástí Bluetooth
­ Komunikační rychlosti
* používá se 2400, 9600, 19200, 115200 Bd
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
18
USB (Universal Serial Bus)
* Vlastnosti
­ Sériová asynchronní oboustranná půlduplexní komunikace
­ přesně definovaná sběrnice s robustně a flexibilně
navrženým protokolem
­ definovaným odpojováním a připojováním jednotek za
běhu (podporuje princip plug-and-play)
­ rychlosti
* USB 1.1 ,,Low-speed" 1.5Mb/s
* USB 1.1 ,,Full-speed" 12Mb/s
* USB 2.0 ,,High-speed" 480Mb/s
* USB 3.0 ,,SuperSpeed" 4.8Gb/s
* Nevýhody
­ nedeterministická odezva
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
19
USB zařízení
* USB-RS232C / USB-RS485
­ umožňuje nahradit chybějící COM porty PC
­ problematická odezva
­ velmi často problematické ovladače
* USB-GPIB
* USB-CAN
* USB-DAQ
­ cenově zajímavá zařízení
­ nevhodná pro aplikace s rychlým zápisem
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
20
VISA
* Virtual Instrument Software Architecture
* API pro komunikaci s přístroji
­ standardizované softwarové rozhraní
­ umožňuje jednotným způsobem komunikovat s různými
přístroji z různých programovacích prostředí
* NI-VISA
­ knihovny VISA od National Instruments
­ integrována do programového prostředí LabVIEW
­ obsahuje průvodce pro realizaci komunikace s přístrojem
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
21
Software přístrojů
* Od SW přístrojů vyžadujeme
­ deterministické chování
­ odolnost vůči chybám
­ vysokou spolehlivost
* ,,Real-time" systémy
­ zajišťují výše uvedené požadavky
­ řídí běh programů
* časově kritické části ­ musí být spouštěny v přesně
definovaných intervalech
­ měření
­ řízení
­ bezpečnostní funkce
* ostatní kód - má nižší prioritu
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
22
Typy přístrojů
­ Klasický
* uživatel nemůže měnit ani HW ani SW
­ Programovatelný
* uživatel může definovat jednoduché programy
­ Virtuální
* uživatel může měnit HW moduly a psát vlastní SW
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
23
Programovatelné přístroje
* Vlastnosti
­ jsou navrženy pro skupinu problémů
­ disponují V/V vyžadovanými skupinou
problému
* v konfiguraci přístroje je možné zadat
­ typy a počet V/V
­ povolený pracovní rozsah
­ umožňují definovat posloupnost úkonů
v čase
* nazývanou jako ,,program"
* Jedná se o
­ Záznamové jednotky
­ Programovatelné regulátory
­ Řídicí jednotky
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
24
PC jako virtuální přístroj
* Nutnost doplnění PC o V/V
* Multifunkční karty
* PCI
* PCIe
* USB
* Výhody
* univerzálnost
* rychlost vývoje aplikace
* Nevýhody
* velké rozměry
* pouze pro laboratorní a kancelářské
pracovní prostředí
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
25
Průmyslová PC a PXI Systémy
* ,,Odolná PC"
­ podobné součásti jako PC, ale s
* rozšířeným teplotním rozsahem
* odolné průmyslovému prostředí
* snížená spotřeba
* Podobné vlastnosti jako PC
* Typy
­ Box PC
­ Panelová PC
­ PXI Systémy
* PCI eXtension for Instrumentation
­ Mezinárodní standard
­ existuje více jak 1500 rozšiřujících
modulů od různých výrobců
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
26
NI-DAQmx
* DAQ - Data Acquisition
* Knihovna funkcí pro práci DAQ hardwarem
­ rozhraní pro
* C/C++
* MS .NET Framework
* LabVIEW
* Obsahuje průvodce pro konfiguraci HW
­ ,,Task"
* definuje skupinu vstupů nebo výstupů, které budou používány
­ vlastnosti jednotlivých vstupů
­ způsob připojení
­ rychlost a způsob vzorkování
* je vyžadován funkcemi pro čtení/zápis
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
27
Kompaktní systémy
* NI CompactRIO
* Compact Reconfigurable I/O
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
28
Co je to FPGA
* Field-Programmable Gate Array
RozhranRozhraníí ppřříístrojstroj--popoččíítatačč
29
Struktura V/V cRIO
­ Přizpůsobení signálů je realizováno na úrovni V/V modulů
Signal
Conditioning
Sensors
& Actuators
Signal
Conditioning
Signal
Conditioning
Signal
Conditioning
Reconfigurable
FPGA
Screw
Terminals
BNC
DSUB
Custom
Attenuation
& Filters
Connector
Block
DI
ADC
Digitizers
& Isolation
DAC
DO
PCIBus
High Speed
Bus