Ниже приведена концепция построения виртуального измерительного комплекса на базе персонального компьютера и рассмотрены задачи, решаемые при помощи составных частей этого комплекса.
РОЛЬ КОМПЬЮТЕРА
Компьютер (чаще всего IBM-совместимый, настольный или портативный) как центральный орган любой виртуальной измерительной системы выполняет прежде всего функции интерфейса «человек — объект измерения».
Экран любого монитора дает гораздо больше возможностей для индикации, чем экран осциллографа (будь тот даже запоминающим), и, разумеется, экран монитора гораздо больше, чем дисплей мультиметра. Клавиатура и особенно мышь гораздо удобнее в работе, чем кнопки, а принтер — даже простейший — предоставляет неоценимые возможности для вывода результатов на бумагу. Кроме того, любой ПК, пусть даже очень «древний», обладает большой вычислительной мощностью, которую можно использовать для того, чтобы применить различные виды обработки результатов измерений: нормирование (приведение шкалы), линеаризацию, временную привязку, вычисление среднего, статистику и т. д. Наконец, дисковый накопитель будет очень удобен для накопления больших объемов данных с целью их последующей обработки, архивирования или передачи по линиям связи с помощью модема.
РОЛЬ ИНТЕРФЕЙСНЫХ УСТРОЙСТВ
Измерение физических параметров, таких как напряжение, ток, температура или давление, предполагает точную оценку аналоговых величин. Компьютер же работает исключительно с дискретными величинами. Отсюда ясно, что процесс превращения ПК в виртуальный измерительный прибор предполагает подключение аналого-цифрового преобразователя (АЦП). АЦП может общаться с компьютером либо через последовательный или параллельный порты, либо непосредственно через шины, если аналого-цифровой преобразователь выполнен в виде платы расширения или карты PCMCIA.
Первый вариант гарантирует максимальную простоту и дешевизну, а при использовании второго можно получить отличные характеристики, но лишь за счет сложности и высокой цены. Интерфейсное устройство также может выполнять и другие необходимые функции, например, гальваническую развязку источников сигналов от цепей ПК, согласование сигналов, формируемых некоторыми типами датчиков, по импедансу, напряжению, полярности и т. д., а также коммутацию нескольких входных каналов.
РОЛЬ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Область применения виртуального прибора практически полностью определяется характеристиками программного обеспечения, в то время как характеристики интерфейсных устройств в большинстве случаев вполне понятны пользователю.
Промышленные изделия подобного рода почти всегда используются при работе с более или менее развитым графическим интерфейсом (кстати, не всегда под Windows), позволяющим выбрать тот или иной режим с помощью клавиатуры или мыши через различные меню (рис. 1.1).
Рис 1.1. Пример экранных меню виртуального измерительного прибора
Как будет показано в дальнейшем, очень удобно создавать маленькие программы, специально предназначенные для выполнения той или иной практической задачи. Часто они пишутся на таком популярном и простом языке, как BASIC. Небольшое структурирование этих программ позволит применять и промышленные интерфейсные устройства, и устройства, самостоятельно собранные из отдельных элементов, путем простой переустановки соответствующего драйвера. Ниже будет проведено сравнение обоих вариантов, благодаря чему читатели смогут выбрать решение, наиболее соответствующее их личным потребностям, техническим и финансовым возможностям, и, наконец, талантам в области программирования.
Помимо выполнения программ сбора данных, пользователь виртуального измерительного прибора сможет часто экспортировать результаты измерений в более развитые приложения, например, электронные таблицы или программы построения диаграмм. Эти офисные приложения делают понятными самые абстрактные записи или массивы данных, выделяя в них незаметные на первый взгляд тенденции или взаимные связи. И, конечно, файлы цифровых данных, полученные при записи измеряемых физических параметров, могут передаваться по линиям связи с использованием модема, в частности, по электронной почте и через Internet.
ТОЧНОСТЬ И БЫСТРОДЕЙСТВИЕ
При сравнении между реальными и виртуальными приборами, помимо предоставляемых возможностей и режимов работы, надо также принимать во внимание и их основные характеристики, а именно точность и быстродействие.
Точность виртуального прибора определяется не лишь количеством цифр после запятой, которое выводится на экран управляющей программой. Кстати, эти цифры могут быть ошибочными, если не приняты некоторые меры метрологического характера.
Одним из основных критериев является разрядность аналого-цифрового преобразователя. Этот параметр определяет степень разрешения при измерениях, то есть ту наименьшую разницу между двумя соседними значениями, которую «чувствует» измерительный прибор. К примеру, восьмиразрядный АЦП способен формировать 28, или 256 различных значений выходного сигнала (кода). Если его полная шкала составляет 5 В, он сможет различить два уровня входного напряжения, отличающиеся примерно на 20 мВ; это соответствует чувствительности хорошего стрелочного гальванометра
Дешевые виртуальные приборы чаще всего ограничены по скорости измерений (от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч отчетов в секунду). Это более чем достаточно, например, для регистрации кривых заряда или разряда аккумуляторов, а также для замеров метеорологических параметров. Но этого не всегда достаточно для правильного отображения формы звукового сигнала на экране виртуального осциллографа или для выполнения серьезного спектрального анализа.
Пользователь подобных приборов всегда должен четко представлять возможности своего оборудования и программного обеспечения (ПО) и учитывать их, прежде чем делать поспешные выводы из полученных результатов.