Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

• Название: Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс
• Автор: Патрик Гёлль
• Жанр: Радиотехника
• Год: 1999
• ISBN: 5-89818-026-5

Книга Патрика Гёлля «Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс» позволяет создать на базе IBM PC-совместимого персонального компьютера систему сбора и обработки информации о различных физических процессах. Тем самым ПК превращается в мощный измерительный прибор. Область применения виртуального измерительного комплекса шире, чем у обычного измерительного прибора, поскольку виртуальный комплекс можно перепрограммировать и оптимизировать для конкретных задач.

В книге рассказывается о создании системы сбора и обработки данных, состоящей из датчиков физических величин (тока, давления, температуры и т. д.), интерфейсного устройства (как правило, аналого-цифрового преобразователя) и программных средств, позволяющих обрабатывать и интерпретировать собранную информацию. Схемы и рекомендации, приведенные в книге, позволяют собрать все рассмотренные устройства самостоятельно. Программное обеспечение и драйверы устройств, находящиеся на сервере www.dmk.ru, позволяют сразу перейти к разработке информационной системы, даже если у вас нет практических навыков в области радиоэлектроники. Современные технические и программные решения, предлагаемые автором книги, надежны и проверены на практике. Они, без сомнения, будут полезны всем, кто разрабатывает дешевые и экономичные системы сбора и обработки информации.

Книга предназначена для специалистов в различных областях (радиоэлектроника, акустика, геофизика, термодинамика и т. д.) и радиолюбителей, а также для преподавателей физики и информатики школ и высших учебных заведений.

---

В таком случае обычно используют как аналоговую коррекцию, выполняемую схемами в устройстве нормирования, так и цифровую коррекцию, выполняемую программно в процессе обработки выходных данных АЦП.

3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИЗДЕЛИЯ

Вполне возможно превратить IBM-совместимый ПК в виртуальный измерительный прибор, не сделав ни одной печатной платы и не написав ни одной строчки программы. Существуют готовые решения «под ключ», стоящие от нескольких десятков до нескольких тысяч долларов в зависимости от предлагаемых возможностей. Самые лучшие из них далеко превосходят возможности обычных измерительных приборов, а самые экономичные решения часто удивляют широтой их потенциальных приложений.

ИНТЕРФЕЙСНЫЕ ПЛАТЫ ВНУТРЕННЕГО ИСПОЛНЕНИЯ

Устройства, выполненные на платах, устанавливаемых в слоты материнской платы ПК, позволяют достичь в реальном масштабе времени частоты дискретизации в несколько десятков мегагерц и разрядности 16 или 24, причем часто для нескольких входных каналов одновременно.

Эти устройства жестко подключены к шине центрального процессора и могут использовать режим прямого доступа к памяти (ПДП — DMA), а следовательно, полностью использовать возможности самых быстрых процессоров. Лучшие модели даже могут быть снабжены буферной памятью объемом до нескольких мегабайт, позволяющей регистрировать самые быстрые процессы в реальном масштабе времени.

Компания National Instruments всегда была пионером в данной сфере и сейчас по-прежнему занимает лидирующие позиции в этой области рынка, ставшей в настоящее время полем жесточайшей конкуренции.

Традиционными потребителями указанной категории изделий в развитых странах являются промышленные отрасли и научные организации, иначе говоря, потребители, которые не экономят на средствах, позволяющих получить метрологически безупречные результаты.

ВНЕШНИЕ ИНТЕРФЕЙСНЫЕ УСТРОЙСТВА

В случаях, когда быстродействие не имеет первостепенного значения, элегантное и экономичное решение представляют внешние интерфейсные устройства, подключаемые к ПК через последовательный или параллельный порты. К этому типу интерфейсов можно отнести как миниатюрный АЦП. расположенный в корпусе разъема DB25, так и классический мультиметр, снабженный разъемом RS232, а также настольный прибор, имеющий на корпусе несколько разъемов и органов управления.

Фирма National Instruments предлагает оригинальное решение, находящееся посередине между двумя указанными вариантами и прекрасно подходящее для портативных ПК. Виртуальный мультиметр, разработанный этой фирмой, выполнен в виде карты PCMCIA, установить которую так же просто, как вставить дискету в дисковод, хотя ее параметры не уступают многим одноканальным платам, предназначенным для внутреннего монтажа. Диалоговое окно мультиметра показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Диалоговое окно виртуального мультиметра фирма Nationol Instruments

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ADC 10 И ADC 12

Среди моделей, предлагаемых в виде внешних интерфейсов, миниатюрные аналого-цифровые преобразователи ADC 10 и ADC 12 компании PICO Technology пользуются большой популярностью. Причиной тому — исключительная простота их применения и доступная цена. ADC 10 и ADC 12 представляют замечательную возможность добавления одного или нескольких аналоговых входов к любому ПК.

Программное обеспечение, поставляемое в комплекте с данными АЦП, сразу превращает компьютер в цифровой мультиметр, запоминающий осциллограф, анализатор спектра и даже в ленточный регистратор (самописец), причем все эти виртуальные приборы работают с сигналами в полосе частот от нуля (постоянный ток) до нескольких килогерц.

Подобное оборудование при наличии соответствующих датчиков и устройств нормирования отлично подходит для измерения и регистрации самых разных физических параметров. Конкретные технические решения подробно рассматриваются в главе 6.

Концепция, разработанная британской компанией PICO Technology, весьма оригинальна: АЦП ADC 10 и ADC 12 выполнены в виде простого разъема DB25 (рис. 3.2). Подключение аналогового сигнала осуществляется с помощью кабеля через разъем типа BNC (СР50-73).

Рис. 3.2. Внешний вид АЦП ADC 10 и ADC 12

Достаточно вставить один из этих приборов в разъем параллельного порта (LPT1 или LPT2), чтобы превратить последний в аналоговый вход с диапазоном напряжений от 0 до 5 В. Не нужно ни батарей, ни другого внешнего источника питания, так как сам АЦП и его источник опорного напряжения потребляют столь мало энергии, что питаются от тех цепей передачи данных, которые не задействованы для связи с ПК. Надо лишь запустить программу PICOSCOPE, поставляемую вместе с АЦП, чтобы сразу же получить цифровой вольтметр, запоминающий осциллограф и анализатор спектра.

Предлагаемый отдельно пакет PICOLOG позволяет, в свою очередь, проводить регистрацию динамики медленных процессов. Он обладает также многими другими возможностями, которые будут подробно рассмотрены в главе 5.

Конечно, не следует рассчитывать на то, что за несколько десятков долларов можно получить эквивалент прибора, стоящего в тысячи раз дороже.

Основные ограничения на применение рассматриваемых устройств накладывают максимальная частота дискретизации (до 25 кГц) и единственный диапазон входных напряжений (0–5 В). Правда, следует отметить, что вход защищен от перегрузок до ±30 В.

Таким образом, для большинства практических приложений этого прибора понадобится добавить устройство нормирования сигнала, в качестве которого может выступить простая гальваническая батарейка, резисторный делитель напряжения, конденсатор или операционный усилитель с несколькими резисторами.

Ниже приведены драйверы, которые позволят легко писать программы для решения любой конкретной задачи и на языке BASIC, и на языке PASCAL, и на языке С. Эти вопросы подробно освещаются в главе 5.

На рис. 3.3 приведена упрощенная принципиальная схема АЦП ADC 10 и ADC 12, а на рис. 3.4 показана конструкция этих изделий.

Рис. 3.3. Упрощенная схема АЦП ADC 10 и ADC 12

Рис. 3.4. Конструкция АЦП ADC 10 и ADC 12

При очевидной простоте технического решения возможности измерительной системы в значительной мере определяются ее программным обеспечением.

Эта схема является хорошим примером применения миниатюрных аналого-цифровых преобразователей с выводом информации в последовательном коде, рассмотренных в главе 2. Оригинальность схемы состоит в том, что опорное напряжение в ней составляет 2,5 В, а входное напряжение делится на 2 для получения полной шкалы устройства в 0–5 В. Подобная хитрость позволяет, кроме того, весьма эффективно и с малыми затратами защитить вход АЦП от перегрузок, а также обойтись для питания устройства напряжением около 5 В, получаемым от цепей информационных данных параллельного порта. Для этого на соответствующих выходах порта программно устанавливаются напряжения высокого логического уровня.

Аналого-цифровые преобразователи ADC 10 и ADC 12 различаются между собой разрядностью (соответственно 8 и 12 разрядов) и входным сопротивлением (соответственно 200 кОм и 66 кОм). Кроме этого, модели можно различить по цвету корпуса. При практическом применении следует учитывать указанные величины входных сопротивлений, если планируется использовать стандартные щупы с делителями.

Представляется заманчивым сразу предпочесть ADC 12, а не ADC 10, и получить разрешение в 4096 точек по приемлемой цене. Но не все так просто!

Прежде всего, надо отметить, что передача 12 битов в последовательном коде занимает как минимум на 50 % больше времени, чем передача 8 бит. От этого сильно зависит верхний предел частоты дискретизации, а он должен быть как можно большим…

Кроме того, следует учесть, что точность других компонентов (хотя бы входного делителя) составляет 1 %. Это соответствует разрешению в 256 точек (8 разрядов), но недостаточно для точности 0,025 %, соответствующей разрешению в 4096 точек (12 разрядов).

Большинство осциллографов с цифровой памятью имеют точность лишь от 2 % до 4 % и разрешение на уровне 8 разрядов, зато они работают при частотах входных сигналов до десятков мегагерц.

Главный аргумент в пользу ADC 12 состоит в том, что его точность 1 % обеспечивается даже для входного напряжения, существенно меньшего пяти вольт. Действительно, шаг квантования этого АЦП составляет 1,2 мВ, в то время как у ADC 10 он равен 20 мВ (теоретическое обоснование данного факта приведено в главе 2).