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 Rozhraní přístroj-počítač 2 Základní části digitálních přístrojů • Elektrické vstupy/výstupy – Vstupy • digitální vstupy • komparátory • A/D převodníky – Výstupy • digitální výstupy • D/A převodníky • Komunikační rozhraní • Uživatelské rozhraní Rozhraní přístroj-počítač 3 A/D – D/A převodníky • Převádí spojitou analogovou elektrickou veličinu do diskrétní číslicové podoby – převádí diskrétní údaj na analogovou veličinu • Rozlišení (v bitech) – rozsah analogové veličiny je rozdělen na 2n dílů, kde n je počet bytů • Rychlost převodu – udává kolik převodů hodnot/vzorků je převodník schopen provést za sekundu, při dodržení požadované přesnosti • jednotky - SPS – Samples Per Second • někdy bývá uvedena závislost rychlost/přesnost • Typická rozlišení / rychlost • 24bit – od 1SPS do 10kSPS • 16bit – od 10SPS do 1MSPS • 12bit – od 1kSPS do 100MSPS • 8bit – 1kSPS do 10GSPS Rozhraní přístroj-počítač 4 Princip A/D převodu •Měřící interval je rovnoměrně rozdělen na 2n dílů •Počet dílů, na které je interval rozdělen odpovídá rozlišení A/D – D/A převodníku n Rozhraní přístroj-počítač 5 Rozsahy měření A/D převodníků • Referenční napětí UREF – úroveň, vůči které A/D převodník měří • 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 UREF 0V 0 2n-1 +UREF -UREF +2n-1-1 -2n-1 Rozhraní přístroj-počítač 6 Více vstupů • Přepínané (multiplexované) vstupy – jeden převodník/více vstupů – s počtem vstupů • klesá rychlost měření • klesá cena/vstup • vznikají problémy s posunem v jednotlivých kanálech • Paralelně vzorkované vstupy – jeden převodník / jeden vstup – rychlost měření se nemění – velmi drahé Rozhraní přístroj-počítač 7 Přizpůsobení V/V • Výstupy snímačů / vstupy ovládaných soustav je nutné elektricky přizpůsobit V/V přístroje Rozhraní přístroj-počítač 8 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 Rozhraní přístroj-počítač 9 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 Rozhraní přístroj-počítač 10 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 Rozhraní přístroj-počítač 11 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 Rozhraní přístroj-počítač 12 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 Rozhraní přístroj-počítač 13 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 Rozhraní přístroj-počítač 14 Local Area Network • Výhody – umožňuje realizovat rozsáhlé sítě – téměř neomezený počet přístrojů a PC v síti – vysoká rychlost – velmi pokročilé technologie Rozhraní přístroj-počítač 15 NI – Network-Published Shared Variable Rozhraní přístroj-počítač 16 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 Rozhraní přístroj-počítač 17 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 Rozhraní přístroj-počítač 18 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 Rozhraní přístroj-počítač 19 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 Rozhraní přístroj-počítač 20 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 Rozhraní přístroj-počítač 21 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 Rozhraní přístroj-počítač 22 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 Rozhraní přístroj-počítač 23 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 Rozhraní přístroj-počítač 24 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 Rozhraní přístroj-počítač 25 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 Rozhraní přístroj-počítač 26 Kompaktní systémy • NI CompactRIO • Compact Reconfigurable I/O Rozhraní přístroj-počítač 27 Co je to FPGA • Field-Programmable Gate Array Rozhraní přístroj-počítač 28 Struktura V/V cRIO – Přizpůsobení signálů je realizováno na úrovni V/V modulů