Obr. 1. Grafické programovací prostředí LabVIEW

Transkript

1 Úloha č. 1: Měření časové konstanty RC členu Úvod Laboratorní úloha se zabývá měřením časové konstanty RC členu pomocí měřicí karty NI USB-6009, která je přes USB port připojena k počítači a řízena (ovládána) pomocí programu vytvořeném v prostředí LabVIEW. Úloha slouží k seznámení studentů s hardwarem NI a použitím NIDAQmx a jejich využitím pro měření časové konstanty. 1. LabVIEW Grafické programovací prostředí LabVIEW (z angl. Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench čili laboratorní pracoviště virtuálních přístrojů ) je produktem americké firmy National Instruments. Prostředí LabVIEW je vhodné nejen k programování systémů pro měření a analýzu signálů, řízení a vizualizaci technologických procesů různé složitosti, ale také k programování velmi složitých systémů, jakým je třeba robot. Jedná se o grafické vývojové prostředí, někdy nazývané též G-jazyk (tedy grafický jazyk), které dovoluje technikům používat při tvorbě měřicích, řídicích a automatizačních systémů ikony namísto řádků textu. Na rozdíl od textových jazyků, které využívají posloupnost instrukcí, se v prostředí LabVIEW využívá programování na principu datového toku (data flow model), kde je způsob toku dat procházejících uzly v blokovém diagramu určován propojením funkcí vodiči. Virtuální měřicí přístroj je tvořen třemi základními složkami (symbolicky je ukazuje Obr. 1). První je uživatelské rozhraní nazývané Přední panel (angl. Front panel), které slouží k obsluze přístroje a ukazuje výstupní hodnoty. Srdcem přístroje je grafický zdrojový kód - tzv. Blokový diagram (angl. Block diagram) pro ovládání objektů na předním panelu a provádění požadovaných operací se vstupními daty. Poslední složkou je Panel ikony a konektorů (angl. Icon and connector pane), neboli okno pro vytváření a zobrazení ikony identifikující daný přístroj. Obr. 1. Grafické programovací prostředí LabVIEW Přední panel Přední panel měřicího přístroje je tvořen ovládacími prvky a indikátory, které reprezentují interaktivní terminály, umožňující vstup signálů do programu a zobrazení výsledků měření prostřednictvím indikátorů. Mezi ovládací prvky patří tlačítka, spínače, otočné prvky, číselníky a další nástroje, které simulují vstupní přístrojová zařízení a dodávají

2 data do blokového diagramu. Indikátory jsou grafy, LED diody a jiné prvky zobrazující data, která blokový diagram vygeneruje nebo získá transformací dat vstupních. Blokový diagram Poté co jsou na přední panel umístěny všechny vstupní a výstupní prvky, pokračuje programátor vytvářením blokového diagramu (schématu), který je samotným jádrem ovládacího programu měřicího přístroje. Objekty předního panelu jsou v blokovém diagramu zastoupeny terminály, které jsou propojovány s funkcemi analogickými prováděcím instrukcím textových programovacích jazyků. Diagram je dále tvořen datovými vodiči, uzly (neboli funkcemi), které provádí požadované úpravy signálů a strukturami (smyčkami), které ovlivňují průběh programu. 2. Multifunkční zařízení pro sběr dat a řízení NI USB 6009 Tato měřicí karta je jedna z nejlevnějších a současně nejmenších profesionálních zařízení DAQ firmy National Instruments pro použití v prostředí LabVIEW. Karta se připojuje k počítači kabelem USB přes komunikační rozhraní USB (USB 2.0 full-speed). Karta je vybavena osmi analogovými vstupy (AI 0 až AI 7 Analog Input), dvěma analogovými výstupy (AO 0 a AO 1 Analog Output), dvanácti obousměrnými digitálními linkami (P0.0 až P1.3) a jedním 32bitovým čítačem (vstup PFI 0, který může sloužit rovněž jako vstup pro spouštění trigger). Analogové vstupy AI lze zapojit buď jako osm nesymetrických kanálů (tzn. proti společné zemi) nebo jako čtyři diferenciální (symetrické) kanály. Na vnější konektor je rovněž vyvedeno napětí +5 V (získané z rozhraní USB) a referenční napětí +2,5 V ze stabilizátoru pro A/D převodník (ADC). Blokové schéma multifunkční karty NI USB 6009 je znázorněno na obr. 3. Obr. 2 Multifunkční karta NI USB-6008/6009

3 Obr. 3: Blokové schéma multifunkční karty NI USB-6008/6009 Vstupy a výstupy karty USB-6009 jsou uspořádány do dvou svorkovnic jedna slouží pro připojení analogových signálů a druhá je určena k připojení digitálních linek. Každá svorkovnice má 16 šroubovacích svorek pro vodiče o průřezu 0,08 až 1,3mm 2. Následující tabulky č. 1 a 2 ukazují připojení signálů ke svorkovnici určené pro digitální resp. analogové signály. Tab.1: Připojení digitálních signálů ke svorkovnici karty USB-6009

4 Tab.2: Připojení analogových signálů ke svorkovnici karty USB-6009 NI-DAQmx Zařízení USB-6009 je podporováno ovladačem NI-DAQmx pro Windows. Je to rozhraní vhodné pro programování analogových, digitálních I/O a ovládání stovek multifunkčních DAQ zařízení (zařízení pro sběr dat). NI LabVIEW obsahuje Mesurement & Automation Explorer, DAQ Assistant a Logger Lite software a především Application Programming Interface API, což je knihovna VI, ANSI C a dalších funkcí pro vytváření vlastních aplikací. LabVIEW verze 8.6 nabízí jedenáct funkci pro práci s periferiemi, podporovanými ovladačem NI-DAQmx. Tyto funkce ukazuje obrázek č. 4.

5 Obr. 4: Funkce knihovny DAQmx pro řízení a sběr dat Na následujícím obrázku (č. 5) je uveden příklad použití funkcí knihovny NI-DAQmx při čtení signálu z externího zařízení. Prvním krokem je vytvoření virtuálního kanálu pro komunikaci se zařízením, následuje zahájení komunikace a samotné čtení dat ze zařízení (v případě tohoto laboratorního cvičení - čtení hodnoty vybraného digitálního vstupu karty USB-6009). Po přečtení požadovaných dat je komunikace ukončena a program zastaven. Obr. 5: Příklad použití funkcí knihovny NI-DAQmx 3. RC - člen RC člen (z angl. zkratek R = resistor, odpor a C = capacitor, kondenzátor) je lineární a pasivní elektrický obvod složený z odporů (rezistorů) a kondenzátorů, jímž se elektrický signál mění v závislosti na jeho kmitočtu. Užívá se zejména jako frekvenční filtr, například horní nebo dolní propusť v zapojení jako derivační nebo integrační článek. Schéma RC členu je na obrázku 6.

6 Obr. 6: Sériový RC-člen (integrační článek) V in = vstupní napětí, V R = napětí na odporu R, V C = napětí na kondenzátoru C Je-li kondenzátor C vybitý a na vstup se přivede napětí V, začne se kondenzátor nabíjet. Rychlost nabíjení závisí na velikosti odporu R [Ω] a kapacity kondenzátoru C [F], takže jeho časovou konstantu lze vyjádřit jako. Obr. 7: Časová konstanta RC členu vybíjení kondenzátoru U 0 počáteční napětí na kondenzátoru, U C napětí ne kondenzátoru Integrační článek (integrátor) je druhem zapojení RC členu tak, aby v obvodu prováděl matematickou funkci integrování napětí na výstupu je integrálem napětí na vstupu. Ideální integrační článek tak realizuje funkci:, kde K i je konstanta integrátoru. Integrační článek má frekvenční charakteristiku dolnopropustného filtru se zvyšující se frekvencí vstupního napětí výstupní napětí klesá. U ideálního integrátoru odpovídá desetinásobnému zvýšení frekvence desetinásobný pokles amplitudy. Integrační konstanta pasivního integrátoru s rezistorem a kondenzátorem je K i = RC. Na integrátoru dochází k fázovému posunutí mezi vstupním a výstupním signálem, které je opět závislé na frekvenci signálu: s rostoucí frekvencí se posuv zvyšuje. Derivační článek (derivátor) je druhem zapojení RC členu tak, aby v obvodu prováděl matematickou funkci derivování napětí na výstupu je derivací napětí na vstupu. Ideální derivační článek tak realizuje funkci:

7 , kde K d je konstanta derivátoru. Derivační článek má frekvenční charakteristiku hornopropustného filtru se zvyšující se frekvencí vstupního napětí výstupní napětí roste. U ideálního derivátoru odpovídá desetinásobnému zvýšení frekvence desetinásobný vzrůst amplitudy. Derivační konstanta pasivního derivačního článku s rezistorem a kondenzátorem je K d = RC.

8 Zadání laboratorního cvičení č. 1: Úkoly: 1) sestavit obvod pro měření časové konstanty RC členu 2) vytvořit v prostředí LabVIEW program, který umožní měření časové konstanty RC členu prostřednictvím sestaveného obvodu a měřicí karty NI USB ) změřit velikost napětí na RC členu v závislosti na čase, určit časovou konstantu RC členu a vypočítat kapacitu kondenzátoru, výsledky uložit do souboru Postup práce: 1) Pro měření časové konstanty RC členu zapojte na kontaktním nepájivém poli do série odpor a kondenzátor. Poté připojte k těmto prvkům vstupy a výstupy měřicí karty tak, abyste byli schopni generovat do obvodu digitální napěťové pulzy a zároveň měřit napětí na kondenzátoru. Pulzy budou způsobovat střídavé nabíjení a vybíjení kondenzátoru (5V kondenzátor se nabíjí, 0V kondenzátor se vybíjí). 2) Následuje sestavení programu v prostředí LabVIEW. Prvním krokem programu je inicializace použitých vstupů a výstupů karty, tedy definice použitého kanálu (určení zda se jedná o digitální či analogový vstup nebo výstup a co daný kanál měří nebo generuje napětí, proud, ) a zahájení jeho činnosti. Dále bude program generovat digitální pulzy v rozsahu 0 až 5 V jako výstupní napětí přicházející z měřicí karty do obvodu. Počáteční hodnotou pulzu bude 5V pro nabíjení kondenzátoru a po dosažení tohoto napětí na kondenzátoru (resp. ustálení hodnoty napětí na hodnotě poněkud nižší vzhledem k napěťovým ztrátám v obvodu) bude signál automaticky či manuálně uživatelem přepnut na 0 V a kondenzátor se bude vybíjet. Program bude samozřejmě číst napětí na kondenzátoru pomocí analogového vstupu a hodnoty naměřeného napětí v závislosti na čase potom zobrazí do grafu a uloží do souboru. 3) Po sestavení programu proměřte průběh závislosti napětí na kondenzátoru na čase při jeho nabíjení i vybíjení. Z naměřených dat vyhodnoťte: časovou konstantu RC členu a kapacitu kondenzátoru. Protokol o laboratorním cvičení bude obsahovat: Schéma sestaveného obvodu Obraz blokového diagramu vytvořeného programu Graf naměřených hodnot, stanovenou časovou konstantu RC členu a kapacitu kondenzátoru

9 Příloha k laboratornímu cvičení: - Vzorové schéma zapojení obvodu pro měření V/A charakteristiky: - Vzorový program pojmenovaný RC_clen.vi pro měření časové konstanty RC členu pomocí výše uvedeného schématu bude v případě potřeby prezentován či poskytnut asistentem během cvičení - Český manuál ke kartě USB-6009, který přehledně popisuje hardwarové i softwarové charakteristiky karty, které nebyly v tomto návodu detailněji rozepisovány.