Архитектура учебной лаборатории NI ELVIS

Архитектура учебной лаборатории NI ELVIS

Настоящее руководство содержит информацию, необходимую для понимания архитектуры учебной лаборатории NI ELVIS (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite), в состав которой входит комплект виртуальных измерительных приборов, а также информацию, необходимую для работы с этими приборами. Кроме того, рассматривается концепция виртуальных измерительных приборов и компоненты систем сбора данных (DAQ) компании National Instruments.

В настоящей главе кратко обсуждается концепция систем сбора данных и представлена система сбора данных NI ELVIS, специально разработанная для учебных лабораторий.

 

Что такое технология виртуальных инструментов?

Технология виртуальных инструментов объединяет технические средства измерения и управления, прикладное программное обеспечение и стандартные промышленные компьютерные технологии с целью создания измерительных, тестовых, управляющих и других технических систем, функциональность которых определяется пользователем.

Технология виртуальных инструментов представляет собой идеальную платформу, как для разработки учебных курсов, так и для проведения научных исследований. Выполняя различные эксперименты в лабораторных практикумах, студенты комбинируют операции измерения, автоматизации и управления. Средства или системы, используемые в этих экспериментах, должны быть гибкими и адаптируемыми. В научных экспериментах технология виртуальных приборов предоставляет исследователю гибкость, необходимую для модернизации систем при возникновении непредвиденных обстоятельств. И научный, и учебный эксперимент требуют, чтобы используемые системы были экономичными. Компоненты систем, построенных на основе технологии виртуальных инструментов, могут быть использованы многократно в самых различных экспериментах без приобретения дополнительных аппаратных средств и программного обеспечения, поэтому выбор данной технологии является экономически обоснованным. Наконец, измерительные системы должны быть масштабируемыми, чтобы удовлетворять будущим потребностям. Модульный характер технологии виртуальных приборов позволит вам с легкостью добавлять новые функциональные возможности в создаваемую вами систему.

В NI ELVIS используется программное обеспечение, разработанное в среде LabVIEW, и аппаратура сбора данных NI для создания виртуальной измерительной системы, обладающей функциональными возможностями комплекта привычных измерительных приборов.

LabVIEW

LabVIEW – это графический язык программирования, предназначенный для создания прикладных систем измерения, тестирования и автоматизации. При программировании в LabVIEW вместо текстовых строк используются пиктограммы. В отличие от текстовых языков в LabVIEW использована концепция потокового программирования, согласно которой выполнение программы определяется потоком данных. Виртуальный прибор (Virtual Instrument – VI) представляет собой программу на LabVIEW, которая моделирует внешний вид и функционирование настоящего измерительного прибора.

Гибкость, модульность и легкость программирования, присущие LabVIEW, делает эту среду разработки популярной в лабораториях ведущих университетов. С помощью LabVIEW вы можете создавать приложения с интерактивным пользовательским интерфейсом за очень короткое время, поскольку принципы графического программирования в LabVIEW интуитивно понятны. Ученые и инженеры могут использовать простые в реализации функциональные возможности LabVIEW по взаимодействию с устройствами ввода/вывода наряду с его аналитическими возможностями. LabVIEW может также применяться для решения чисто аналитических или численных задач в учебном процессе.

Обзор NI ELVIS

Функциональные возможности набора типовых лабораторных измерительных приборов в NI ELVIS реализованы на основе многофункционального устройства ввода-вывода (DAQ), специальной настольной рабочей станции, макетной платы и программ, разработанных в среде LabVIEW.

В настольную рабочую станцию NI ELVIS встроены аппаратно реализованные функциональный генератор и регулируемые блоки питания. А спроектированные в LabVIEW лицевые панели (Soft Front Panel – SFP) измерительных приборов объединяют функциональность DAQ-устройства (модуля ввода-вывода) и рабочей станции NI ELVIS, предоставляя возможность работы со следующими приборами:

· Генератором сигналов произвольной формы (Arbitrary Waveform Generator – ARB)

· Анализатором амплитудно- и фазочастотных характеристик (Bode Analyzer)

· Устройством чтения с цифровой шины (Digital Bus Reader)

· Устройством записи на цифровую шину (Digital Bus Writer)

· Цифровым мультиметром (Digital Multimeter – DMM)

· Анализатором спектра (Dynamic Signal Analyzer – DSA)

· Функциональным генератором сигналов (Function Generator – FGEN)

· Анализатором импеданса (Impedance Analyzer)

· Осциллографом (Oscilloscope – Scope)

· Анализатором вольтамперной характеристики двухполюсников (Two-Wire Current Voltage Analyzer)

· Анализатором вольтамперной характеристики четырехполюсников (Three-Wire Current Voltage Analyzer)

· Регулируемыми источниками питания (Variable Power Supplies)

Кроме перечисленных приборов, в NI ELVIS имеется набор высокоуровневых функций LabVIEW, которые можно использовать для усовершенствования средств отображения данных и организации экспериментов, а также для управления рабочей станцией NI ELVIS из LabVIEW.

В NI ELVIS версии 3.0 и выше управлять приборами NI ELVIS можно с помощью среды SignalExpress, которая не требует программирования. Из SignalExpress, помимо законченных приборов NI ELVIS, можно также использовать общие функциональные возможности аппаратных средств NI ELVIS, такие как аналоговый ввод (AI), аналоговый вывод (AO), цифровой ввод/вывод (DIO) и счетчик/таймер (CTR).

Внешний вид NI ELVIS показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема размещения компонентов системы NI ELVIS на базе ноутбука и NI USB DAQ-устройства: 1 - ноутбук; 2 - USB кабель; 3 - NI USB DAQ-устройства M серии с типовым коннекторным блоком; устройство серии; 4 – сетевой шнур питания для NI USB DAQ-устройства M серии; 5 – экранированный кабель для устройства серии M; 6 – настольная рабочая станция NI ELVIS

Модуль запуска приборов

Модуль запуска NI ELVIS (Instrument Launcher) предоставляет доступ ко всем виртуальным измерительным приборам NI ELVIS. Запускается этот модуль двойным щелчком левой кнопки мыши по пиктограмме NI ELVIS на рабочем столе или выбором в меню Start»All Program Files»National Instruments»NI ELVIS 3.0»NI ELVIS. После инициализации открывается панель комплекта виртуальных измерительных приборов, спроектированных в LabVIEW.

Чтобы запустить какой-нибудь прибор, просто нажмите на соответствующую кнопку. Если программа NI ELVIS надлежащим образом сконфигурирована и рабочая станция подключена к соответствующему модулю ввода-вывода, все кнопки на панели запуска должны быть доступны.

Если же есть проблемы с конфигурацией системы, например, рабочая станция подсоединена к модулю ввода-вывода, не указанному в конфигурации, или не включено питание рабочей станции, то кнопки всех приборов становятся недоступны. В этом случае единственная кнопка, на которую можно нажать – это кнопка Configure (Конфигурировать). Читайте документ Where to Start with NI ELVIS для получения более подробной информации о настройке NI ELVIS.

Некоторые приборы выполняют одинаковые операции, используя одни и те же ресурсы аппаратуры NI ELVIS и модуля ввода-вывода, и поэтому не могут работать одновременно. При запуске двух приборов с перекрывающейся функциональностью, не позволяющей этим приборам работать одновременно, программное обеспечение NI ELVIS откроет диалоговое окно, в котором будет описана ошибка. Вызвавший ошибку прибор блокируется и не будет функционировать до тех пор, пока конфликтная ситуация не разрешится.

Цифровой мультиметр

Популярный измерительный прибор – цифровой мультиметр (Digital Multimeter – DMM) позволяет измерять следующие величины:

· напряжение постоянного тока (DC Voltage)

· напряжение переменного тока (AC Voltage)

· силу постоянного и переменного тока (Current DC and AC))

· активное сопротивление (Resistance)

· ёмкость (Capacitance)

· индуктивность (Inductance)

· работоспособность диода (Diode test)

· проверять целостность электрических проводников – выполнять "прозвонку" (Audible continuity)

Подключиться к мультиметру можно через макетную плату или с помощью разъёмов штекерного типа на передней панели рабочей станции.

Анализатор спектра

Анализатор спектра (Dynamic Signal Analyzer – DSA) особенно полезен на занятиях по углублённому изучению электротехники и физики. Этот прибор использует аналоговый вход модуля ввода-вывода для измерений, которые выполняются в непрерывном режиме или в однократном режиме. В этом приборе для определения спектра можете фильтровать сигнал и накладывать различные окна.

Функциональный генератор

Этот прибор (Function Generator – FGEN) позволяет выбирать форму сигнала (синусоида, "меандр", "пила"), задавать его амплитуду и частоту. Кроме того, прибор дает возможность регулировать постоянную составляющую сигнала, осуществлять развертку сигнала по частоте, формировать сигналы с амплитудной (АМ) и частотной (ЧМ) модуляцией.

Анализатор импеданса

Простой анализатор импеданса (Impedance Analyzer) предназначен для измерения активной и реактивной составляющей сопротивления пассивных двухполюсников на заданной частоте.

Осциллограф

Осциллограф (Oscilloscope – Scope) обладает всеми функциональными возможностями стандартного настольного прибора, который можно найти в любой учебной лаборатории. Осциллограф NI ELVIS имеет два канала и снабжен регуляторами выбора масштаба, сдвига лучей, переключателями временной развертки, выбора источника и режима запуска. Свойство автомасштабирования позволяет регулировать масштаб по оси Y в зависимости от размаха переменного напряжения для лучшего отображения сигнала. В зависимости от типа подключённого к NI ELVIS модуля ввода-вывода запуск может быть цифровой и аналоговый. Сигналы на осциллограф подаются через макетную плату или через разъёмы типа BNC, установленные на лицевой панели рабочей станции.

Внутри рабочей станции NI ELVIS предусмотрена возможность подключения к осциллографу сигналов от функционального генератора или цифрового мультиметра. Кроме того, программное обеспечение компьютеризированного осциллографа позволяет использовать курсоры для точных измерений параметров сигналов по осциллограмме на экране. Скорость сбора данных осциллографа ограничена только максимальной частотой дискретизации модуля ввода-вывода, через который NI ELVIS подключен к компьютеру.

Подробная информация о поддерживаемых модулем ввода-вывода режимах запуска и о максимальной частоте дискретизации приведена в технической документации на модуль ввода-вывода.

Архитектура учебной лаборатории NI ELVIS

Настоящее руководство содержит информацию, необходимую для понимания архитектуры учебной лаборатории NI ELVIS (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite), в состав которой входит комплект виртуальных измерительных приборов, а также информацию, необходимую для работы с этими приборами. Кроме того, рассматривается концепция виртуальных измерительных приборов и компоненты систем сбора данных (DAQ) компании National Instruments.

В настоящей главе кратко обсуждается концепция систем сбора данных и представлена система сбора данных NI ELVIS, специально разработанная для учебных лабораторий.