GRAFICKÉ PROGRAMOVÁNÍ VE VÝVOJOVÉM PROSTŘEDÍ LabVIEW

Transkript

1 GRAFICKÉ PROGRAMOVÁNÍ VE VÝVOJOVÉM PROSTŘEDÍ LabVIEW Výuková skripta Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. Ostrava, říjen 2002 Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-1

2 OBSAH OBSAH Seznam obrázků Základní principy virtuální instrumentace Úvod Vývoj měřicí techniky Měřicí přístroje z období klasické instrumentace Měřicí přístroje vybavené komunikačním rozhraním Měřicí přístroje s komunikačním rozhraním RS Měřicí přístroje s komunikačním rozhraním GPIB Měřicí přístroje s komunikačním rozhraním Ethernet Fáze virtuální instrumentace Srovnání klasické a virtuální instrumentace Proces měření a jeho fáze Systémová integrace Úvod do vývojového prostředí LabVIEW Filosofie a součásti vývojového systému LabVIEW Základní části virtuálního přístroje Čelní panel Blokové schéma Ikona a konektor Popis prostředí LabVIEW Roletová menu Paletové menu s objekty čelního panelu Položky menu pro práci s textem Nástroje pro zarovnávání a volbu rozestupů Nástroje pro práci ve vývojovém prostředí LabVIEW Cesty vedoucí k snadnému zvládnutí vývojového prostředí LabVIEW Tutoriál Dokumentace v elektronické podobě Interaktivní kurz LabVIEW Příklady obsahující řešení standardních situací Standardní nápověda Generátory standardních řešení Ladicí prostředky Krokování běhu virtuálního přístroje Vizualizace toku dat Užití sond Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-2

3 4.4. Nasazování bodu přerušení Prvky čelního panelu Typy prvků čelního panelu Volba a umístění prvku Roletové menu prvku Zobrazitelné části prvku čelního panelu Reprezentace proměnné v paměti počítače Volba rozsahu hodnot Volba formátu a přesnosti Práce s fyzikálními jednotkami Další prvky typu Numeric Prvky Numeric pro práci s barvou Prvky typu Boolean Prvky pro práci s textem Výběrové prvky List & Table Datová struktura pole Datová struktura Cluster Knihovní funkce LabVIEW Základní členění Programové struktury Lokální proměnné Globální proměnné Konstanty Numerické funkce Nápověda k funkcím Polymorfismus funkcí Úprava počtu vstupních parametrů funkce Úprava typu vstupních parametrů Vypínání indexace ve vstupním parametru Struktura událostmi řízené aplikace v LabVIEW Analýza požadavků koncového uživatele Návrh grafických rozhraní k uživateli Základní struktura aplikace Sdílená datová oblast Volby pro běh virtuálního přístroje Ikona, konektor, volby pro běh virtuálního přístroje Konektor virtuálního přístroje Možnosti nastavení efektů pro mód běhu programu virtuálního přístroje Synchronní, asynchronní a reentrantní provádění bloků aplikace Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-3

4 Asynchronní provádění bloků aplikace Synchronní bloky Priorita Reentrantní provádění bloků Řízení několika identických přístrojů pomocí obslužného programu VI, který čeká specifikovaný časový interval Použití dat, která nemohou být sdílena Práce s grafy Základní pojmy Rozdělení grafů Datové struktury pro indikátory grafů Registrační grafy (Waveform chart) Registrační graf zobrazující jeden průběh Registrační graf zobrazující více průběhů Volitelné části indikátorů registračních grafů: Operace s daty v registračních grafech Další položky roletového menu pro práci s registračními grafy Volby dosažitelné přes roletové menu v legendě registračního grafu Statické grafy (GRAPHS) Časové statické grafy zobrazující jeden průběh Kartézské statické grafy zobrazující jeden průběh Statické časové grafy zobrazující více průběhů Statické kartézské grafy zobrazující více průběhů Volitelné části indikátorů statických grafů: Operace s daty ve statických grafech Další položky roletového menu pro práci s registračními grafy Volby dosažitelné přes roletové menu v legendě statického grafu Kurzory Paleta nástrojů pro práci s grafy Pravidla multitaskingu v LabVIEW Základní filozofie Multitasking a multithreading v programovacím jazyku G Základní multitasking v aplikaci vytvořené ve vývojovém prostředí LabVIEW Funkce čekání Priorita VI Priorita Subroutine Multithreading Mechanické akce na prvcích typu Boolean Synchronizační mechanismy v LabVIEW Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-4

5 11.1. Základní filozofie Sekvenční provádění částí aplikace Programová struktura sekvence Umělá datová závislost Synchronizační mechanismy Occurrence - událost Semafor Rendezvous - setkání Notification - oznámení Queue fronta Práce se soubory v LabVIEW Rychlé ukládání Interaktivní prohlídka dat z rychlého ukládání Programová prohlídka dat z rychlého ukládání Struktura nabídky funkcí pro práci se soubory Komplexní funkce pro práci se soubory Funkce pro zápis a čtení do textového souboru ve formátu tabulkového procesoru Ukládání textu do textového pole Zápis a čtení číselných polí do binárních souborů Elementární funkce pro práci se soubory Soubory typu Byte stream a Datalog Průběžné proměnné Absolutní a relativní cesta k souboru SW podpora zásuvných multifunkčních karet v LabVIEW Konfigurace a první test systému se zásuvnou multifunkční kartou Organizace knihovny Data Acquisition v systému LabVIEW a kde začít Funkce vyšší úrovně - Easy I/O Obecná pravidla: Parametry nastavitelné pro kartu LabPC Analogový vstup Analogový výstup Digitální vstup a výstup Příklad použití funkce z úrovně Easy I/O Intermediate VIs Ošetření chyb ve VI úrovně Intermediate Asynchonní funkce sběru dat využívající dvojité vyrovnávací paměti Uzly vlastností Vlastnosti prvku Numeric Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-5

6 14.2. Vlastnosti indikátoru grafu Ukázka použití uzlů vlastností Komunikace s měřicími přístroji Obslužné programy pro měřicí přístroje Použití funkcí z obslužného programu Vytvoření vlastního obslužného programu pro měřicí přístroj Softwarová podpora sériového rozhraní Rozšířená knihovna analýz Generování signálu Funkce pro zpracování měřených signálů Distribuce aplikací vytvořených v LabVIEW Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-6

7 SEZNAM OBRÁZKŮ OBR. 1.: VÝVOJ MĚŘICÍ TECHNIKY V ČASE Z HLEDISKA NARŮSTAJÍCÍ FLEXIBILITY OBR. 2.: PŘÍKLAD GRAFICKÉHO ROZHRANÍ ČELNÍHO PANELU VIRTUÁLNÍHO PŘÍSTROJE OBR. 3.: NAZNAČENÍ FYZICKÉ PODOBY VXI MĚŘICÍHO SYSTÉMU OBR. 4.: KOMPONENTY MĚŘICÍHO ŘETĚZCE PRO VYTVOŘENÍ VIRTUÁLNÍHO MĚŘICÍHO SYSTÉMU OBR. 5.: ČELNÍ PANEL VIRTUÁLNÍHO PŘÍSTROJE OBR. 6.: PALETOVÉ MENU PRVKŮ ČELNÍHO PANELU OBR. 7.: PALETOVÉ MENU FUNKCÍ A STRUKTUR BLOKOVÉHO DIAGRAMU OBR. 8.: PŘÍKLAD BLOKOVÉHO DIAGRAMU VIRTUÁLNÍHO PŘÍSTROJE OBR. 9.: MÍSTO PRO IKONU A KONEKTOR VIRTUÁLNÍHO PŘÍSTROJE OBR. 10.: SKUPINA APLIKACÍ PRO SPOUŠTĚNÍ VÝVOJOVÉHO SYSTÉMU LABVIEW OBR. 11.: OKNO VÝBĚRU AKCE PO SPUŠTĚNÍ VÝVOJOVÉHO PROSTŘEDÍ LABVIEW OBR. 12.: DIALOGOVÉ OKNO PRO VYTVOŘENÍ NOVÉHO OBJEKTU OBR. 13.: PALETOVÁ NABÍDKA PRVKŮ ČELNÍHO PANELU OBR. 14.: PALETOVÁ NABÍDKA NÁSTROJŮ OBR. 15.: VÝVOJ MĚŘICÍ TECHNIKY V ČASE Z HLEDISKA NARŮSTAJÍCÍ FLEXIBILITY OBR. 16.: OKNO ACROBAT READERU PRO PROCHÁZENÍ MANUÁLŮ V ELEKTRONICKÉ PODOBĚ OBR. 17.: OKNO ACROBAT READERU PRO VÝBĚR MANUÁLU OBR. 18.: VSTUP DO INTERAKTIVNÉHO KURZU LABVIEW OBR. 19.: ZÁKLADNÍ ÚROVEŇ VÝBĚRU ŘEŠENÝCH PŘÍKLADŮ OBR. 20.: STRUKTUROVANÝ SEZNAM ŘEŠENÝCH PŘÍKLADŮ V LABVIEW OBR. 21.: POMOCNÉ OKNO INTERAKTIVNÍ NÁPOVĚDY OBR. 22.: DIALOGOVÉ OKNO GENERÁTORU HOTOVÝCH ŘEŠENÍ OBR. 23.: ČELNÍ PANEL VYGENEROVANÉHO OSCILOSKOPU OBR. 24.: ČÁST BLOKOVÉHO DIAGRAMU AUTOMATICKY VYGENEROVANÉHO OSCILOSKOPU OBR. 25.: OKNO SEZNAMU SYNTAKTICKÝCH CHYB OBR. 26.: NÁSTROJE PRO KROKOVÁNÍ BĚHU VI OBR. 27.: BĚH VI SE ZAPNUTOU VIZUALIZACÍ OBR. 28.: NASAZENÍ SONDY DO BLOKOVÉHO DIAGRAMU OBR. 29.: NASAZOVÁNÍ BODU PŘERUŠENÍ OBR. 30.: PALETOVÁ NABÍDKA PRVKŮ ČELNÍHO PANELU OBR. 31.: ROLETOVÉ MENU PRVKU TYPU NUMERIC OBR. 32.: REPREZENTACE PROMĚNNÉ V PAMĚTI POČÍTAČE OBR. 33.: OMEZENÍ DOVOLENÉHO ROZSAHU VKLÁDANÝCH ČÍSEL OBR. 34.: DIALOGOVÉ OKNO VOLBY FYZIKÁLNÍ JEDNOTKY OBR. 35.: JEDNA Z GRAFICKÝCH PODOB TAHOVÉHO POTENCIOMETRU OBR. 36.: ZÁKLADNÍ PALETOVÁ NABÍDKA PRVKŮ BOOLEAN OBR. 37.: PŘÍKLAD VYSVĚTLUJÍCÍ MECHANICKÉ AKCE NA PRVCÍCH TYPU BOOLEAN OBR. 38.: PALETOVÉ MENU PRVKŮ PRO PRÁCI S TEXTEM OBR. 39.: PALETOVÉ MENU PRVKŮ VÝBĚRU OBR. 40.: PALETOVÉ MENU PRO VOLBU DATOVÉ STRUKTURY POLE OBR. 41.: GRAFICKÁ PODOBA PRVKU PRO JEDNOROZMĚRNÉ POLE PRVKŮ TYPU NUMERIC OBR. 42.: RÁMEC DATOVÉ STRUKTURY CLUSTERU OBR. 43.: ZÁKLADNÍ PODOBA PALETOVÉ NABÍDKY FUNKCÍ OBR. 44.: GRAFICKÁ PODOBA PROGRAMOVÝCH STRUKTUR VE VÝVOJOVÉM PROSTŘEDÍ LABVIEW OBR. 45.: POUŽITÍ LOKÁLNÍ PROMĚNNÉ PRO PŘÍSTUP K TÉŽE PROMĚNNÉ Z VÍCE MÍST BLOKOVÉHO DIAGRAMU OBR. 46.: POUŽITÍ LOKÁLNÍ PROMĚNNÉ PŘI POTŘEBĚ PROGRAMOVÉHO ZÁPISU DO OVLÁDACÍHO PRVKU OBR. 47.: ROLETOVÉ MENU LOKÁLNÍ PROMĚNNÉ OBR. 48.: ZMĚNA REPREZENTACE DATOVÉHO TYPU U ČÍSELNÉ KONSTANTY OBR. 49.: DALŠÍ ČÍSELNÉ KONSTANTY OBR. 50.: VYTVOŘENÍ KONSTANTY PŘIPOJENÉ KE VSTUPNÍMU PINU FUNKCE OBR. 51.: NUMERICKÉ FUNKCE OBR. 52.: ZÁKLADNÍ NÁPOVĚDA K FUNKCI OBR. 53.: ZVĚTŠENÍ POČTU VSTUPNÍCH PARAMETRŮ FUNKCE POUŽITÍM ROLETOVÉHO MENU OBR. 54.: ZVĚTŠENÍ POČTU VSTUPNÍCH PARAMETRŮ FUNKCE ROZTAŽENÍM JEJÍ IKONKY OBR. 55.: NĚKTERÉ MOŽNÉ KOMBINACE TYPU VSTUPNÍCH PARAMETRŮ U FUNKCE BUILD ARRAY OBR. 56.: VYPNUTÍ INDEXACE VE VSTUPNÍM PARAMETRU FUNKCE INDEX ARRAY OBR. 57.: STRUKTURA UDÁLOSTMI ŘÍZENÉ APLIKACE OBR. 58.: ČELNÍ PANEL HLAVNÍHO VI V HIERARCHII OBR. 59.: PRVNÍ VARIANTA BLOKOVÉHO DIAGRAMU OBR. 60.: MODIFIKOVANÁ PODOBA ČELNÍHO PANELU OBR. 61.: MODIFIKOVANÁ PODOBA BLOKOVÉHO DIAGRAMU HLAVNÍHO VI V HIERARCHII OBR. 62.: VYTVOŘENÍ GLOBÁLNÍ PROMĚNNÉ OBR. 63.: ČELNÍ PANEL GLOBÁLNÍ PROMĚNNÉ SDÍLENÉ PAMĚŤOVÉ OBLASTI OBR. 64.: POUŽITÍ GLOBÁLNÍ PROMĚNNÉ JAKO SDÍLENÉ DATOVÉ OBLASTI OBR. 65.: MÍSTO PRO EDITACI IKONY, KONEKTORU A NASTAVENÍ VOLEB PRO BĚH VI OBR. 66.: GRAFICKÝ EDITOR PRO ÚPRAVU A VYTVOŘENÍ IKONY VIRTUÁLNÍHO PŘÍSTROJE OBR. 67.: DIALOGOVÉ OKNO PRO VÝBĚR NASTAVENÍ CHOVÁNÍ VI OBR. 68.: VOLBY PRO NASTAVENÍ CUSTOM OBR. 69.: VOLBY PRO BĚH VI VYVOLANÉ Z ROLETOVÉHO MENU NA IKONCE VI V NADŘAZENÉ VRSTVĚ HIERARCHIE OBR. 70.: OKNO PRO VYTVÁŘENÍ HISTORIE VÝVOJE DANÉHO VI OBR. 71.: ŘÍZENÍ DIGITÁLNÍHO VOLTMETRU Z APLIKACE Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-7

8 OBR. 72.: SÉRIOVÁ OBSLUHA DVOU DIGITÁLNÍCH VOLTMETRŮ V ČASE OBR. 73.: PARALELNÍ VYUŽITÍ JEDNOHO OBSLUŽNÉHO PROGRAMU S VYUŽITÍM REENTRANTNOSTI SPOUŠTĚNÍ VI OBR. 74.: VI, KTERÝ ČEKÁ SPECIFIKOVANÝ INTERVAL OBR. 75.: VÍCENÁSOBNÉ POUŽITÍ VI, KTERÝ ČEKÁ SPECIFIKOVANÝ ČASOVÝ INTERVAL OBR. 76.: VI PRO VÝPOČET PRŮMĚRU TŘÍ ČÍSEL OBR. 77.: VÍCENÁSOBNÉ POUŽITÍ VI PRO PRŮMĚROVÁNÍ TŘÍ ČÍSEL OBR. 78.: PALETOVÁ NABÍDKA VOLBY DRUHU GRAFU OBR. 79.: ZÁKLADNÍ PODOBA REGISTRAČNÍHO GRAFU OBR. 80.: VOLBA HLOUBKY VYROVNÁVACÍ PAMĚTI PRO ZAPAMATOVÁNÍ ČÁSTI DAT REGISTRAČNÍHO GRAFU OBR. 81.: UKÁZKA POUŽITÍ REGISTRAČNÍHO GRAFU PRO JEDEN PRŮBĚH OBR. 82.: DÁVKOVÁ AKTUALIZACE REGISTRAČNÍHO GRAFU PO DESETI BODECH OBR. 83.: ZOBRAZENÍ VÍCE PRŮBĚHŮ V REGISTRAČNÍM GRAFU OBR. 84.: UKÁZKA VOLITELNÝCH ČÁSTÍ GRAFU OBR. 85.: OPERACE S DATY PROSTŘEDNICTVÍM ROLETOVÉHO MENU OBR. 86.: POLOŽKY ROLETOVÉHO MENU PRO POPIS OSY X OBR. 87.: POLOŽKY ROLETOVÉHO MENU LEGENDY REGISTRAČNÍHO GRAFU OBR. 88.: STANDARDNÍ PODOBA STATICKÉHO GRAFU OBR. 89.: PROGRAMOVÉ VYTVOŘENÍ POLE PRO ZOBRAZENÍ VE STATICKÉM GRAFU (PŘEDPOKLAD X0=0, DX=1) OBR. 90.: PROGRAMOVÉ VYTVOŘENÍ DAT PRO STATICKÝ GRAF X0=5, DX= OBR. 91.: STATICKÝ KARTÉZSKÝ GRAF Z POLÍ HODNOT X A Y OBR. 92.: STATICKÝ KARTÉZSKÝ GRAF Z POLE CLUSTERŮ OBSAHUJÍCÍCH X A Y SOUŘADNICI OBR. 93.: DVA PRŮBĚHY VE STATICKÉM ČASOVÉM GRAFU OBR. 94.: DVA PRŮBĚHY V KARTÉZSKÉM STATICKÉM GRAFU OBR. 95.: ČÁSTI STATICKÉHO GRAFU OBR. 96.: OPERACE S DATY VE STATICKÉM GRAFU OBR. 97.: VOLBY PRO OSU X VE STATICKÉM GRAFU OBR. 98.: KURZOROVÝ DISPLAY STATICKÉHO GRAFU OBR. 99.: PALETA NÁSTROJŮ PRO AKCE S GRAFEM OBR. 100.: FORMÁT POPISU OS OBR. 101.: VARIANTY PRO ZOOMING GRAFU OBR. 102.: FRONTA AKTIVNÍCH ÚLOH OBR. 103.: DVA PARALELNÍ DATOVĚ NEZÁVISLÉ CYKLY OBR. 104.: FRONTA AKTIVNÍCH A SPÍCÍCH ÚLOH OBR. 105.: VYUŽITÍ FUNKCE ČEKÁNÍ OBR. 106.: PŘIDĚLOVÁNÍ PRIORITY PROVÁDĚNÍ VI OBR. 107.: FRONTA AKTIVNÍCH ÚLOH PŘI RŮZNÝCH PRIORITÁCH VI OBR. 108.: PŘÍKLAD NA MECHANICKÉ AKCE PRVKU TYPU BOOLEAN OBR. 109.: PROGRAMOVÁ STRUKTURA SEKVENCE OBR. 110.: POUŽITÍ UMĚLÉ DATOVÉ ZÁVISLOSTI PRO ZAJIŠTĚNÍ SEKVENČNOSTI OBR. 111.: NESYNCHRONIZOVANÝ BĚH DVOU CYKLŮ OBR. 112.: SYNCHRONIZACE SEMAFOREM NA ÚROVNI KLASICKÝCH PROSTŘEDKŮ LABVIEW OBR. 113.: FUNKCE PRO OVLÁDÁNÍ UDÁLOSTI OBR. 114.: SYNCHRONIZACE DVOU CYKLŮ POMOCÍ OCCURRENCE OBR. 115.: UKÁZKA VYTVOŘENÍ SEMAFORU OBR. 116.: VI VYUŽÍVAJÍCÍ SEMAFORU PRO VSTUP DO KRITICKÉ SEKCE OBR. 117.: FUNKCE PRO PRÁCI SE SEMAFORY OBR. 118.: FUNKCE PRO PRÁCI SE SETKÁNÍMI OBR. 119.: ZŘÍZENÍ RENDEZVOUS OBR. 120.: ÚLOHA VYUŽÍVAJÍCÍ RENDEZVOUS OBR. 121.: VYTVOŘENÍ OZNÁMENÍ PRO SYNCHRONIZACI ÚLOH OBR. 122.: UKÁZKA ÚLOHY VYUŽÍVAJÍCÍ OZNÁMENÍ OBR. 123.: FUNKCE PRO PRÁCI S OZNÁMENÍMI OBR. 124.: ČELNÍ PANEL VIRTUÁLNÍHO PŘÍSTROJE VYUŽÍVAJÍCÍHO FRONTU OBR. 125.: FUNKCE PRO PRÁCI S FRONTOU OBR. 126.: BLOKOVÝ DIAGRAM VIRTUÁLNÍHO PŘÍSTROJE VYUŽÍVAJÍCÍHO FRONTU OBR. 127.: ZAPNUTÍ UKLÁDÁNÍ PO DOKONČENÍ BĚHU VI OBR. 128.: PROHLÍDKA DAT ULOŽENÝCH PŘI RYCHLÉM UKLÁDÁNÍ OBR. 129.: ROLETOVÉ MENU K POVOLENÍ DATABÁZOVÉHO PŘÍSTUPU OBR. 130.: ÚPRAVA BLOKOVÉHO DIAGRAMU PRO PROGRAMOVÉ VYČTENÍ DAT OBR. 131.: ČELNÍ PANEL VI PRO PROGRAMOVÉ VYČÍTÁNÍ DAT Z RYCHLÉHO UKLÁDÁNÍ OBR. 132.: PALETOVÁ NABÍDKA FUNKCÍ PRO PRÁCI SE SOUBORY OBR. 133.: TŘI FÁZE PRÁCE SE SOUBORY OBR. 134.: UKÁZKA OKNA NÁPOVĚDY PRO FUNKCI ZÁPIS ZNAKŮ DO TEXTOVÉHO SOUBORU OBR. 135.: FUNKCE PRO ZÁPIS DO SOUBORU S FORMÁTEM PRO IMPORT DO TABULKOVÉHO PROCESORU OBR. 136.: NEJJEDNODUŠŠÍ POUŽITÍ FUNKCE WRITE TO SPREADSHEET FILE OBR. 137.: FORMÁT ULOŽENÝCH DAT OBR. 138.: TATÁŽ DATA IMPORTOVANÁ DO EXCELLU OBR. 139.: FUNKCE PRO VYČTENÍ DAT Z TEXTOVÉHO SOUBORU FORMÁTU TABULKOVÉHO PROCESORU OBR. 140.: VYČTENÍ DAT DO DVOUROZMĚRNÉHO POLE OBR. 141.: FUNKCE PRO ZÁPIS TEXTU DO SOUBORU OBR. 142.: FUNKCE PRO ČTENÍ ZNAKŮ Z TEXTOVÉHO SOUBORU OBR. 143.: POSTUPNÉ VYČTENÍ TEXTOVÉHO SOUBORU PO ŘÁDCÍCH OBR. 144.: FUNKCE PRO ULOŽENÍ POLE HODNOT SGL REPREZENTACE DO BINÁRNÍHO SOUBORU OBR. 145.: FUNKCE PRO ČTENÍ 2D/1D POLE SGL HODNOT Z BINÁRNÍHO SOUBORU OBR. 146.: FUNKCE PRO KONVERZI DATOVÉHO TYPU NA A Z STRINGU Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-8

9 OBR. 147.: ZÁPIS DO DATALOG SOUBORU OBR. 148.: ČTENÍ Z DATALOG SOUBORU OBR. 149.: POUŽITÍ CHYBOVÉHO CLUSTERU OBR. 150.: CESTA K SOUBORU NEZÁVISLÁ NA JEHO ABSOLUTNÍM UMÍSTĚNÍ OBR. 151.: SPRÁVCE ZAŘÍZENÍ V OVLÁDACÍCH PANELECH OBR. 152.: NASTAVENÍ VLASTNOSTÍ PŘEVODNÍKOVÉ KARTY OBR. 153.: PROHLÍDKA POLOŽKY MEASUREMENT&AUTOMATION V PRŮZKUMNÍKOVI OBR. 154.: PROHLÍDKA POLOŽKY DEVICES AND INTERFACES V PRŮZKUMNÍKU OBR. 155.: PROHLÍDKA PŘIDĚLENÝCH SYSTÉMOVÝCH PROSTŘEDKŮ OBR. 156.: NASTAVENÍ VLASTNOSTÍ A/D PŘEVODNÍKU OBR. 157.: DIALOG ÚSPĚŠNÉHO ZAVRŠENÍ TESTU KOMUNIKACE OBR. 158.: TESTOVACÍ PANEL OBR. 159.: ZÁKLADNÍ USPOŘÁDÁNÍ MENU V KNIHOVNĚ DATA ACQUISITION OBR. 160.: ZÁKLADNÍ NABÍDKA POLOŽKY MENU HELP SEARCH EXAMPLES OBR. 161.: ZÁKLADNÍ ČLENĚNÍ PŘÍKLADŮ PRO DAQ KNIHOVNU OBR. 162.: UPŘESNĚNÍ VOLBY PŘÍKLADŮ PRO ANALOGOVÉ VSTUPY OBR. 163.: NABÍDKA KONKRÉTNÍCH PŘÍKLADŮ OBR. 164.: ČELNÍ PANEL VI PRO KONTINUÁLNÍ SBĚR DAT S VYKRESLENÍM DO GRAFU OBR. 165.: BLOKOVÝ DIAGRAM S FUNKCÍ MY DATA PROCESSING OBR. 166.: FUNKCE MY DATA PROCESSING OBR. 167.: POUŽITÍ SYNCHRONNÍ FUNKCE PRO SNÍMÁNÍ TISÍCE DAT Z OSMI KANÁLŮ RYCHLOSTÍ 1000 VZORKŮ ZA SEKUNDU OBR. 168.: ASYNCHRONNÍ FUNKCE SBĚRU DAT PRO KONTINUÁLNÍ SBĚR DAT S VYUŽITÍM DVOJITÉ VYROVNÁVACÍ PAMĚTI OBR. 169.: MINIMALIZACE ČASOVÉ REŽIE VYČÍTÁNÍ DAT PŘI POUŽITÍ DVOJITÉ VYROVNÁVACÍ PAMĚTI OBR. 170.: VYTVOŘENÍ UZLU VLASTNOSTÍ OBR. 171.: PRVOTNÍ PODOBA UZLU VLASTNOSTÍ OBR. 172.: ROLETOVÉ MENU UZLU VLASTNOSTÍ OBR. 173.: PŘIDÁNÍ POLOŽKY DO SEZNAMU VLASTNOSTÍ ROZTAŽENÍM TERMINÁLU UZLU VLASTNOSTÍ OBR. 174.: MNOŽINA VLASTNOSTÍ PRVKU TYPU NUMERIC OBR. 175.: ZAKÁZÁNÍ AKCE NA NĚKTERÝCH PRVCÍCH OBR. 176.: ROZBLIKÁNÍ PRVKU NA ČELNÍM PANELU OBR. 177.: ČELNÍ PANEL VI PRO PŘENESENÍ DAT Z HISTORIE REGISTRAČNÍHO GRAFU DO STATICKÉHO OBR. 178.: BLOKOVÝ DIAGRAM VI PRO PŘENESENÍ HISTORIE REGISTRAČNÍHO GRAFU DO STATICKÉHO GRAFU OBR. 179.: ČELNÍ PANEL VI PRO PROGRAMOVÉ VYČTENÍ POZICE KURZORU STATICKÉHO GRAFU OBR. 180.: BLOKOVÝ DIAGRAM VI PRO PROGRAMOVÉ VYČTENÍ POZICE KURZORU STATICKÉHO GRAFU OBR. 181.: PALETOVÁ NABÍDKA FUNKCÍ PRO KOMUNIKACI S MĚŘICÍMI PŘÍSTROJI OBR. 182.: STRUKTURA SOUVISLOSTÍ JEDNOTLIVÝCH VRSTEV SW OBR. 183.: PALETOVÉ MENU OBSLUŽNÝCH PROGRAMŮ PRO MĚŘICÍ PŘÍSTROJE OBR. 184.: PALETOVÁ NABÍDKA OBSLUŽNÉHO PROGRAMU PRO MULTIMETR HP 34401A OBR. 185.: ČELNÍ PANEL FUNKCE INITIALIZE OBR. 186.: BLOKOVÝ DIAGRAM APLIKACE PO PRVNÍM KROKU OBR. 187.: ČELNÍ PANEL APLIKACE PO DRUHÉM KROKU OBR. 188.: BLOKOVÝ DIAGRAM APLIKACE PO TŘETÍM KROKU OBR. 189.: IKONY POUŽITELNÉ PRO TVORBU OBSLUŽNÝCH PROGRAMŮ OBR. 190.: ČELNÍ PANEL ŠABLONY FUNKCE INITIALIZE S INSTRUKCEMI PRO TVORBU TÉTO FUNKCE OBR. 191.: KOMUNIKAČNÍ MONITOR PRO ROZHRANÍ GPIB OBR. 192.: ČELNÍ PANEL MONITORU PRO OVĚŘOVÁNÍ KOMUNIKACE PŘES SÉRIOVÉ ROZHRANÍ OBR. 193.: PALETOVÁ NABÍDKA FUNKCÍ PATŘÍCÍCH DO ROZŠÍŘENÉ KNIHOVNY ANALÝZ OBR. 194.: PALETOVÁ NABÍDKA FUNKCÍ PRO GENEROVÁNÍ SIGNÁLŮ OBR. 195.: POUŽITÍ FUNKCE PRO GENEROVÁNÍ SINUSOVÉHO PRŮBĚHU OBR. 196.: POUŽITÍ FUNKCE GENEROVÁNÍ SIGNÁLU PRO SIMULACI MĚŘENÝCH DAT VE FÁZI LADĚNÍ APLIKACE BEZ PŘIPOJENÍ NA HW OBR. 197.: GENERÁTOR FUNKCÍ OBR. 198.: ČELNÍ PANEL APLIKACE VYUŽÍVAJÍCÍ FUNKCE AMPLITUDE AND PHASE SPECTRUM.VI OBR. 199.: BLOKOVÝ DIAGRAM APLIKACE VYUŽÍVAJÍCÍ FUNKCE AMPLITUDE AND PHASE SPECTRUM.VI OBR. 200.: JEDNODUCHÝ SPEKTRÁLNÍ ANALYZÁTOR OBR. 201.: PALETOVÁ NABÍDKA S VOLBOU NÁSTROJE PRO VYTVÁŘENÍ APLIKACÍ OBR. 202.: DIALOGOVÉ OKNO PRŮVODCE VYTVÁŘENÍM APLIKACE Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-9

10 SCXI SCXI MAINFRAM E SCXI 1140 SCXI 1140 SCXI 1140 SCXI 1140 Katedra elektrických měření, Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava 1. ZÁKLADNÍ PRINCIPY VIRTUÁLNÍ INSTRUMENTACE 1.1. ÚVOD Slovo virtuální se díky nástupu nových technologií spojených s rychlým rozvojem výpočetní techniky objevuje v našem slovníku čím dál častěji. Lze se setkat s virtuální realitou ať už jako součástí zábavního průmyslu (film, počítačové hry), nebo jako prostředkem usnadňujícím zvládnutí složitých situací v některých odvětvích lidské činnosti (nácvik složitých operací na virtuálním modelu lidského těla, simulátory pro výcvik pilotů v letectví ). Do našeho každodenního života vstupuje nabídka zboží ve virtuálních obchodních domech nabízejících své zboží prostřednictvím Internetu. Tato úvodní kapitola by měla vysvětlit další oblast spojenou se slovem virtuální a s nástupem nových technologií, tentokrát ve spojení s problematikou měření a měřicí techniky. Touto oblastí je virtuální instrumentace VÝVOJ MĚŘICÍ TECHNIKY Výrobci měřicí techniky se v tržním hospodářství řídí stejnými pravidly jako kdokoliv jiný na trhu. Jejich snahou je maximalizovat svůj zisk ovládnutím co největší části trhu svými výrobky. Pro dosažení tohoto cíle musí získat co nejvíce zákazníků se zájmem o své výrobky. Tento zájem bude narůstat tím strměji, čím lepší bude uspokojení potřeb těchto zákazníků právě prostřednictvím produkce těchto výrobců. Definujme si pojem flexibility měřicího systému jako jeho schopnost uspokojit potřeby koncového uživatele. Vývoj měřicí techniky obecně a v celosvětovém měřítku sleduje trend zvyšující se flexibility měřicích systémů. Názorně lze tento vývoj měřicí techniky v čase ukázat v grafickém vyjádření na následujícím obrázku: Flexibilita Virtuální měřicí přístroje - fáze virtuální instrumentace PC Zásuvné měřicí desky VXI Měřicí přístroje vybavené rozhraním (RS 232, GPIB-IEEE488) Klasické analogové měřicí přístroje Čas Obr. 1.: Vývoj měřicí techniky v čase z hlediska narůstající flexibility Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-10

11 1.3. MĚŘICÍ PŘÍSTROJE Z OBDOBÍ KLASICKÉ INSTRUMENTACE U klasických analogových měřicích přístrojů bez komunikačního rozhraní (voltmetry, ampérmetry, multimetry, osciloskopy, ) definuje funkce měřicího přístroje jednoznačně jeho výrobce a koncový uživatel může využít pouze těch funkcí, které měl od výrobce v přístroji implementovány - flexibilita takovéhoto měřicího systému je tedy nízká, narazí-li potřeba uživatele na funkci, kterou přístroj nemá implementovánu, zůstává jeho potřeba neuspokojena. V této fázi vývoje měřicí techniky je i způsob přebírání naměřených hodnot koncovým uživatelem omezen obvykle na opisování naměřených dat z displeje měřicího přístroje, což je dalším potenciálním zdrojem chyb měření MĚŘICÍ PŘÍSTROJE VYBAVENÉ KOMUNIKAČNÍM ROZHRANÍM Zejména posledně jmenovaný aspekt klasické měřicí techniky vedl asi v počátcích ke snaze zefektivnit přebírání naměřených hodnot s vyloučením lidského činitele přímou komunikací měřicího přístroje s počítačem. Každý proces měření se vyznačuje dvěma etapami interakce uživatele s měřicím přístrojem oddělenými od sebe vlastním měřením. V první etapě dochází ke konfiguraci měřicího přístroje, tj. nastavení všech parametrů přístroje na hodnoty vyžadované daným měřením. Převládající směr toku informace je v této fázi od uživatele k přístroji a na čelním panelu měřicího přístroje jsou k tomuto účelu připraveny ovládací prvky v podobě tlačítek, přepínačů a otočných nastavovacích prvků. Ve druhé etapě interakce dochází k vlastnímu vyčítání naměřených hodnot. Převládající směr toku informace je v této fázi od měřicího přístroje k uživateli a na čelním panelu jsou k tomuto účelu připraveny indikační prvky v podobě stupnic s ručičkami, číselných či grafických displejů. V obou fázích komunikace uživatele s měřicím přístrojem lze uvažovat o náhradě koncového uživatele počítačem, což přináší dvě zásadní výhody: možnost automatizace celého měření a tím jeho zefektivnění z hlediska časové náročnosti celého procesu. Počítač zvládá mnohem rychlejší toky dat, což ve svém důsledku zkracuje jak dobu konfigurace měřicího přístroje, tak dobu vyčítání naměřených hodnot vyloučením lidského faktoru z měřicího řetězce lze eliminovat další zdroj chyb, které zatěžují výsledek měření, a to chyby osobní S rostoucími výkonnostními parametry a s klesající cenou výpočetní techniky začíná její masivní průnik i do oblastí, pro které dříve nebyla určena, včetně oblasti měřicí techniky. Výrobci měřicí techniky reagují na tento průnik vybavováním svých měřicích přístrojů komunikačním rozhraním umožňujícím interakci počítače a měřicího přístroje. V dnešní době se u měřicích přístrojů nejčastěji vyskytují tři typy rozhraní využívané pro komunikaci s personálním počítačem (PC) Měřicí přístroje s komunikačním rozhraním RS-232 Výhody komunikace přes toto rozhraní jsou následující: jednoduchá a levná kabeláž (pro vzájemnou komunikaci vystačí se dvěmi i jedním signálovým a společným zemním vodičem) Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-11

12 standardní vybavení tímto rozhraním na straně počítače (připojuje se k němu obvykle myš, souřadnicové zapisovače a další periférie) poměrně velká vzdálenost, na kterou lze takto měřicí přístroj ovládat nevýhody komunikace přes toto rozhraní: omezení na dva komunikující protějšky (počítač a jeden měřicí přístroj) malá propustnost (omezená přenosová rychlost, nutnost sériového řazení informace po bitech a nutnost redundantní informaci pro synchronizaci přenosu start bit, paritní bit, stop bit) Měřicí přístroje s komunikačním rozhraním GPIB Paralelní rozhraní GPIB (General Purpose Interface Bus) zavedené v roce 1965 firmou Hewlett Packard pod označením HP-IB a zdokonalené v roce 1975 do podoby IEEE standardu 488 a v roce 1987 do podoby ANSI/IEEE standardu, později rozšířeného na ANSI/IEEE standard. Firma National Instruments, která je přední firmou rozvíjející dále toto rozhraní pod označením GPIB. Výhody komunikace přes toto rozhraní: vysoká přenosová rychlost (přes 1 MB/s, s využitím protokolu HS488 až 8 MB/s), možnost připojit na jeden řídící počítač více měřicích přístrojů, v případě IEEE existence standardizovaného protokolu pro řízení přístrojů akceptovaného všemi výrobci, kteří tímto rozhraním své přístroje vybavují nevýhody komunikace přes toto rozhraní: omezená vzdálenost komunikujících přístrojů (max. celková délka kabelu 20 m), nutností dovybavit počítač modulem tohoto rozhraní (zásuvná karta GPIB nebo konvertor stávajícího rozhraní Centronics nebo RS 232) dražší kabeláž Měřicí přístroje s komunikačním rozhraním Ethernet Rozhraní Ethernet je v poslední době se objevující alternativou ke dvěma předchozím rozhraním. Výhody komunikace přes toto rozhraní: připojení měřicího přístroje na standardní médium lokální počítačové sítě (koaxiální kabel, kroucená dvoulinka) v místě měření přes standardní vstup do této sítě možnost konfigurace měřicího přístroje a zpracování naměřených dat v jiném místě lokální počítačové sítě popřípadě odkudkoliv z Internetu velká propustnost tohoto rozhraní (standardně 10/100 Mbitů/s, je definovaná i rychlost 1 Gb/s) možnost využití standardních protokolů známých z komunikace mezi počítači (TCP/IP) nevýhoda komunikace přes toto rozhraní Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-12

13 velmi málo výrobců měřicí techniky zatím vybavuje své přístroje tímto rozhraním standardní obslužné programy jsou zatím uzpůsobeny pro využití rozhraní RS 232 nebo GPIB Propojení počítače s měřicím přístrojem umožňuje doplnit funkce definované jeho výrobcem funkcemi, které lze naprogramovat do řídicího počítače. Funkce měřicího přístroje lze v tomto případě obvykle omezit pouze na sejmutí měřených dat a jejich přenos přes rozhraní do počítače, kde proběhne jejich následné zpracování, při kterém lze softwarově realizovat i funkce, které do měřicího přístroje nebyly implementovány. Takto lze např. z digitálního osciloskopu jednoduchým způsobem udělat frekvenční analyzátor, který je obvykle o řád dražší (osciloskop pouze sejme měřený průběh a pošle jej přes sběrnici do počítače, kde lze podrobit tato data frekvenční analýze např. algoritmem rychlé Fourierovy transformace FFT). Flexibilita měřicího systému je zde výrazně vyšší. Narazí-li potřeba uživatele na funkci, kterou nemá přístroj implementovánu výrobcem, lze ji následně realizovat softwarovými prostředky na připojeném počítači. Vývojáři výpočetní i měřicí techniky dnes používají stejných koncepcí a komponentů při návrhu zapojení vyvíjených zařízení (využití mikroprocesorů, pamětí, sběrnic ). Moderní složitější měřicí přístroj je obvykle multiprocesorový systém vybavený základní vrstvou softwaru, která řídí jeho činnost této vrstvě se říká firmware. Tato koncepce umožňuje v určitých omezených mezích měnit chování přístroje a umožňuje použití pružně programovatelných ovládacích prvků na čelním panelu. Rostoucí počet funkcí, které výrobci měřicích přístrojů implementují do svých výrobků by při klasické koncepci (jedna funkce jeden ovládací prvek) vedla k velmi rozměrným a nepřehledným panelům těchto přístrojů. Proto je dnes mnohem obvyklejší umístění ovládacích tlačítek na okraj displeje, na kterém je v každé fázi konfigurace daného přístroje přiřazena tomuto tlačítku jiná funkce popsaná proměnným nápisem na displeji. Při analýze propojení měřicího přístroje přes komunikační rozhraní na počítač přišli výrobci měřicí techniky na to, že se z měřicího přístroje někdy využije pouze vstupních obvodů a paměti dat, což vedlo k dalšímu kroku vývoje této techniky směrem k tzv. virtuálním měřicím přístrojům FÁZE VIRTUÁLNÍ INSTRUMENTACE Podstatou virtuálního přístroje je doplnění otevřené architektury personálního počítače tím, co mu chybí, aby mohl plnit úlohu měřicího přístroje. V oblasti hardwaru je to zásuvná multifunkční karta (zásuvná měřicí deska) vybavena konektorem pro zasunutí této karty do systémové desky personálního počítače (ISA, EISA, PCI sběrnice). V oblasti softwaru je to vhodný program pro počítač, který realizuje všechny funkce měřicího přístroje a plní tak úlohu firmwaru měřicího přístroje. Zabraňuje se tak i duplicitě, která se objevuje při propojení měřicího přístroje a počítače. Nedílnou součástí aplikace představující virtuální přístroj je grafické rozhraní k uživateli čelní panel virtuálního přístroje. Koncový uživatel na něm má k dispozici: ovládací prvky pro nastavení parametrů přístroje indikační prvky informující ho o výsledcích měření Na následujícím obrázku je příklad virtuálního přístroje plnícího funkci dvoukanálového osciloskopu. Ovládacími prvky na něm uživatel volí kanál, nastavení časové základny a vertikálního zesilovače a podmínku spuštění časové základny (trigger). Indikačním prvkem je grafický displej znázorňující naměřený časový průběh. Oproti klasickému přístroji si virtuální přístroj ponechává všechny výhody personálního počítače standardní média pro ukládání naměřených dat (pevný disk, dis- Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-13

14 keta), snadné připojení periférií (tiskárna, modem), snadná konektivita do počítačových sítí, a tím možnost sdílení naměřených dat či dálkové ovládání přístroje. Kromě toho se dá jeho funkce snadno změnit modifikací vytvořené aplikace. Obr. 2.: Příklad grafického rozhraní čelního panelu virtuálního přístroje Zásuvné multifunkční karty doplňující pro účely měření architekturu personálního počítače mají omezení hlavně v parametru dosažitelné vzorkovací frekvence a současnosti snímání z více kanálů. Běžné měřicí karty pro ISA sběrnici dosahují maximální vzorkovací frekvence řádu stovek tisíc až miliónů vzorků za sekundu (100 ks/s 1 MS/s, interval mezi vzorky 1 10 mikrosekund) pro signál, který není periodický. Špičkové osciloskopy dnes mají tento parametr až o čtyři řády lepší (10 GS/s - t.j. deset miliard vzorků za sekundu - interval mezi dvěma vzorky 100 ps). Toto omezení rychlosti měření je u zásuvných multifunkčních karet dáno především použitou architekturou A/D převodníku a šířkou a časováním sběrnice mezi kartou a počítačem. Pro překonání tohoto omezení se začíná rozšiřovat speciální architektura měřicích systémů - systémy na bázi VXI sběrnice. Architektura těchto systémů je tvořena tzv. mainframem (tj. rámem s napájecím zdrojem a sběrnicí o šířce 32 bitů propojující až 13 pozic v tomto rámu). Na pozici 0 se do tohoto rámu nasazuje buď jednodeskový počítač nebo konvertor VXI sběrnice na protokol GPIB s následným propojením na řídící počítač vybavený kartou GPIB. Do zbývajících pozic v rámu se zasouvají měřicí přístroje v redukované podobě zásuvných modulů (nemají tudíž ani čelní panel s ovládacími prvky, pouze konektory pro připojení měřených signálů). Sběrnice VXI se vyznačuje velkou propustností a přesným časováním (spouštěním měření), malými rozměry, menší náchylností k ovlivnění měření rušivými signály, delší střední dobou mezi opravami a kratší dobou opravy. Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-14

15 Obr. 3.: Naznačení fyzické podoby VXI měřicího systému 1.6. SROVNÁNÍ KLASICKÉ A VIRTUÁLNÍ INSTRUMENTACE Zásuvné karty a VXI měřicí systémy tvoří nejvyšší stupeň nového přístupu k měření - tzv. virtuální instrumentace. Srovnání klasických měřicích přístrojů a virtuálních měřicích přístrojů ukazuje následující tabulka: Hledisko Tradiční přístroj Virtuální přístroj Funkce definuje výrobce uživatel Orientace přístrojů a jejich propojitelnost specifické podle funkcí, hlavně používané samostatně s omezenou propojitelností Klíčový komponent hardware software Náklady na výrobu a opakovatelnost použití Architektura Návaznost na technologický proces vysoké uzavřená, pevná množina funkcí pomalá - doba obměny 5-10 let specifické podle aplikace, propojitelnost s návazností na počítačové sítě a periférie nízké, opakovatelně použitelné otevřená, pružná funkčnost odrážející výkonnost výpočetní techniky rychlá doba obměny 1-2 roky Náklady na vývoj a údržbu vysoké, horší poměr výkon/cena nízké, dobrý poměr výkon/cena Filosofie virtuálních měřicích přístrojů je velmi progresivní, neboť umožňuje při zachování výkonnostních parametrů klasické měřicí techniky vytvářet přístroje, jejichž funkce přesně odpovídají Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-15

16 požadavkům uživatele, neboť jsou tyto funkce realizovány softwarově. Navíc tato koncepce umožňuje doplňovat další funkce podle narůstajících a měnících se potřeb koncového uživatele. Cena takto vytvářených měřicích přístrojů bývá nižší, než je cena klasické analogové měřicí techniky. Navíc je možno kdykoliv změnou programu vytvořit jiný měřicí přístroj nebo upravit vlastnosti stávajícího. Při spojení měřicího přístroje a počítače přes rozhraní nebo při vytváření virtuálních měřicích přístrojů hraje vedle hardwarových prostředků v podobě počítače a přídavných karet čím dál významnější roli software - stává se klíčovým komponentem měřicího systému PROCES MĚŘENÍ A JEHO FÁZE Analýzou procesu měření a zpracování měřených dat lze dojít k následujícímu obecnému schématu procesu měření jako navazujících tří fází. fáze sběru dat či řízení technologického procesu - v podstatě se používají následující typické způsoby sběru dat přes: o o o o o o o zásuvné multifunkční karty přístroje vybavené rozhraním RS 232 nebo jiným sériovým rozhraním přístroje vybavené rozhraním GPIB VXI, PXI měřicí systémy PLC průmyslové I/O systémy systémy snímání obrazu V této první fázi procesu měření se jedná o získání tzv. surových dat - obvykle se zde v měřicích systémech moderní koncepce jedná o převod měřené veličiny na elektrický signál nesoucí informaci o měřené veličině a jeho převod na číselnou hodnotu. Následně je tato informace předána počítači a uložena do paměti či zobrazena na displeji. fáze analýzy naměřených dat o o o o digitální zpracování signálu například digitální filtrace či výpočet frekvenční analýzy statistika operace s datovými poli V této druhé fázi procesu měření obvykle vyvstává potřeba odstranění nežádoucích složek měřených signálů (odstranění rušení), statistického vyhodnocení (např. výpočet střední či efektivní hodnoty), výpočet nepřímo měřených veličin z veličin měřených (např. nepřímé měření odporu měřením napětí a proudu) atp. Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-16

17 fáze prezentace naměřených a analyzovaných dat o o o o grafické rozhraní k uživateli síťové aplikace archivace v souborech tisk V této poslední fázi je potřeba naměřené a analyzované hodnoty prezentovat ve tvaru např. protokolu z měření, grafů, uložením do textových datových souborů atp. Je-li ve virtuálním měřicím systému vyjasněna otázka použitého hardwaru (měřicí přístroj s rozhraním, počítač se zásuvnou měřicí kartou, VXI měřicí systém), je potřeba zvolit optimální softwarový prostředek tvorby měřicí aplikace. Pro tento účel lze využít i standardních programovacích jazyků: Basic - křivka charakterizující použití tohoto programovacího jazyka je dnes již za svým vrcholem - tento jazyk však dnes prožívá svou renesanci v podobě tzv. Visual Basicu, kterého lze opět využít pro efektivní tvorbu objektově orientovaných aplikací pro oblast měření. C jazyk - dnes nejčastěji používaný jazyk v technické praxi v různých podobách CVI, C++, Visual C++ Použití standardního programovacího jazyka pro vytvoření aplikace z oblasti měření naráží na dvě úskalí: tvorba aplikace je časově náročná, syntaxe jazyka je složitá a výsledný produkt může být těžko čitelný i pro samotného autora, vrátí-li se k němu po delším čase od jeho tvorby je zde velká náročnost na detailní znalost hardwarového řešení měřicího řetězce - musí se napsat všechny funkce pro podporu protokolů na jednotlivých rozhraních, které obvykle nejsou součástí implementace těchto programovacích jazyků (obsluha požadavků na přerušení, přímý přístup do paměti atp.) Tato úskalí pomáhají překonat dnes stále častěji používané produkty, které lze zařadit do kategorie tzv. CASE (Computer Aided Software Engineering) produktů, tj systémů pro vytváření koncových aplikací s podporou počítače. Produkcí těchto softwarových systémů - vývojových prostředí, které v sobě obvykle integrují mnoho pomocných nástrojů pro automatizaci tvorby softwarové aplikace - se dnes zabývá na světovém trhu celá řada firem. Mnohé pomocné nástroje integrované do těchto vývojových prostředí vycházejí ze skutečnosti, že obecná struktura aplikace bývá shodná a dá se popsat jako soubor grafických rozhraní, přes která koncový uživatel s programem komunikuje. Vlastní program je založen na opakované kontrole, zda na těchto grafických rozhraních nedošlo k události interakci uživatele s ovládacím prvkem a v následném programovém ošetření těchto událostí. Vývojové prostředí tedy může základní kostru programu vygenerovat automaticky a ušetřit tak jeho tvůrci čas. Do takto připravené kostry programu se pak vkládají jednotlivé funkce z knihoven, které v těchto vývojových prostředích mají i funkce pro podporu jednotlivých fází procesu měření a oprošťují tak uživatele od nutnosti znát např. detaily komunikace měřicí karty s počítačem. Softwarové prostředky, které se používají pro tuto oblast lze rozdělit Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-17

18 podle fáze procesu měření, kterou podporují (sběr, analýza, prezentace) podle funkcí, které uživateli nabízejí (otevřené systémy, uzavřené systémy) Ze standardních softwarových prostředků lze pro oblast měření použít např. i tabulkové procesory, které pokryjí fázi prezentace a částečně fázi analýzy měřených dat). Dnes se však v této kategorii objevují i produkty s podporou zásuvných karet pro vstup dat do tabulkového procesoru - např. Excel Meassure od firmy National Instruments. Kromě nich nabízí řada firem speciální programové balíky, pokrývající jednu, dvě, nebo všechny tři fáze zpracování měřených dat (např. knihovny funkcí podporujících sběr dat ze zásuvných multifunkčních karet). Podle druhého hlediska lze na trhu softwarových prostředků nalézt uzavřené systémy, které uživateli poskytují omezenou množinu funkcí, které naprogramoval jejich tvůrce a kterou již nelze dále jednoduchým způsobem rozšiřovat (sem patří např. různé nadstavby tabulkových procesorů nebo speciální softwarové balíky podpory některých měřicích karet). Kromě těchto systémů lze nalézt i otevřené systémy, které poskytují uživateli celou řadu funkcí, aniž by ho omezovaly, neboť se dají jednoduchým způsobem rozšiřovat podle potřeb uživatele - jsou to tedy tzv. vývojová prostředí (Development Environment). Na světovém trhu vývojových prostředí pro oblast měření lze nalézt mnoho produktů, patřících do kategorie otevřených systémů: HP VEE - od firmy Hewlett-Packard (grafické programování v prostředí Windows) Test Point - od firmy Keithley (grafické programování v prostředí Windows) Dasy Lab - jednoduchý systém grafického programování v prostředí Windows, původně od firmy DasyTech, dnes patří do rodiny produktů firmy National Instruments Control Panel - Alcor Zlín - grafické programování v prostředí DOSu a Windows (systém vytvořen v jazyce Modula 2) LabWindows-CVI TM - textově orientovaný vývojový systém pro platformu Windows LabVIEW TM - grafické programování v prostředí Windows a na různých platformách (MacIntosh, PC Windows 3.11, Windows 95, Windows 98, Windows NT, Sun, HP Unix, LI- NUX) Použití některého z těchto vývojových prostředí umožňuje efektivní a rychlou tvorbu aplikací pro oblast testování, měření a průmyslové automatizace SYSTÉMOVÁ INTEGRACE V dnešní době je výuce virtuální instrumentace věnována pozornost i při studiu technických předmětů na vysokých školách. Autoři tohoto cyklu článků pedagogicky působí na Katedře elektrických měření VŠB-Technické univerzity v Ostravě. Tato katedra velmi úzce již osm let spolupracuje s americkou firmou National Instruments, která je světovou špičkou v této oblasti a poskytuje uživatelům v celosvětovém měřítku velmi kvalitní produkty jak z oblasti hardwaru (zásuvné měřicí karty, karty GPIB rozhraní, VXI a PXI měřicí systémy, komunikační karty pro různé protokoly, karty sběru obrazové informace), tak i z oblasti softwaru (textově i graficky orientovaná vývojová prostředí, knihovny funkcí pro specializované oblasti). Šíře nabídky těchto komponentů se rok od roku rozšiřuje o čemž svědčí například přes devět set stran katalogu této firmy z roku V podstatě lze ke tvorbě měřicích virtuálních systémů přistupovat dvojím způsobem: Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-18

19 SCXI-1001 SCXI S CXI 1140 SCXI MAINFRAME 1100 SCXI 1140 SCXI 1140 S CXI 1140 Temperature NATIONAL INSTR UMENTS bus Flow Control Panel Katedra elektrických měření, Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava koncový uživatel si koupí všechny potřebné komponenty měřicího řetězce včetně vhodného vývojového prostředí a vytvoří si svůj systém vlastními silami využije služeb takzvaného systémového integrátora, který ovládá práci s komponenty nabízenými výrobcem a sestaví celý měřicí systém koncovému uživateli na klíč. V České republice stejně jako na celém světě existuje řada firem, které se zabývají systémovou integrací a lze tedy zvolit jednu z obou nabízených variant řešení. První varianta se hodí spíše pro uživatele, který potřebuje větší počet měřicích systémů s častým požadavkem na jejich modifikaci. Potom se mu vyplatí pověřit svého pracovníka zvládnutím vývojového prostředí a ten je schopen následně vyvíjet, udržovat a modifikovat vytvořené měřicí systémy. Druhý přístup se hodí spíše v situaci, kdy je požadavek na tvorbu měřicího systému spíše ojedinělý, nebo kdy hraje roli faktor času zkušenému systémovému integrátorovi bude trvat kratší dobu vytvoření systému na klíč a jeho odladění a patrně i parametry vytvořeného systému budou na vyšší úrovni, než by tomu bylo u začínajícího tvůrce těchto systémů. K dispozici je dnes ucelená řada komponentů, ze kterých lze vytvořit měřicí řetězec ať už v měřicím či testovacím systému, nebo v systému z oblasti průmyslové automatizace. Velkou výhodou je, je-li možno sestavit celý systém z komponentů jednoho výrobce, nebo z komponentů využívajících zavedených a osvědčených standardů rozhraní je tak zaručena lepší kompatibilita jednotlivých článků řetězce a méně problémů při jeho oživování a uvádění do provozu. Následující obrázek znázorňuje hrubé schéma jednotlivých článků řetězce, ze kterých lze vytvořit virtuální měřicí systém: Pressure Alarm Conditions STOP A B C D Obr. 4.: Komponenty měřicího řetězce pro vytvoření virtuálního měřicího systému Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-19

20 V levé části obrázku jsou znázorněny dva zdroje měřených veličin technologický proces a testovaný výrobek. V obou případech se používá obousměrné komunikace do technologického procesu vstupují veličiny představující akční veličiny regulačních obvodů, žádané hodnoty parametrů apod., do testovaného výrobku vstupují stimulační signály. V opačném směru, tj. do systému jdou měřené veličiny. Ve střední části obrázku jsou znázorněny některé ze standardních možnosti používaných ve fázi sběru měřených dat: A zásuvná měřicí karta s předřazeným modulem úpravy měřeného signálu B programovatelný logický automat (PLC) s komunikačním rozhraním C měřicí přístroj s komunikačním rozhraním (GPIB, RS 232) D VXI měřicí systém V této části systému dochází k úpravě měřených veličin na elektrický signál, převodu do digitální podoby a jeho sjednocení podle použitého rozhraní. V pravé části obrázku je zobrazen personální počítač s aplikací realizující funkce virtuálního přístroje. Rostoucí výkonové parametry dnešních personálních počítačů umožňují vytvářet i velmi sofistikované systémy, které si zachovávají základní přednost směrem ke koncovému uživateli vysokou míru flexibility danou možností modifikací softwarové aplikace upravit chování systému podle měnících se potřeb koncového uživatele. Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 1-20

21 2. ÚVOD DO VÝVOJOVÉHO PROSTŘEDÍ LABVIEW 2.1. FILOSOFIE A SOUČÁSTI VÝVOJOVÉHO SYSTÉMU LABVIEW Základním záměrem vývojových pracovníků firmy National Instruments bylo dát do rukou inženýrů nástroj podobné efektivity pružnosti a síly jako je tabulkový procesor v rukou finančního manažera. Myšlenka, na níž stojí efektivita vývojového prostředí LabVIEW I daného na trh v roce 1986 pro platformu počítačů Macintosh je jednoduchá a vznikla původně na půdě Texaské univerzity ve skupince nadšenců kolem duchovního otce tohoto systému Jeffa Kodovského. Vychází se zde z poznatku, že tím, kdo ví, co měřit, jak analyzovat a jak prezentovat data, je technik, který nemusí být sám zkušeným programátorem. Své představy tedy předává programátorovi obvykle v podobě blokového schématu. Programátor toto schéma potom převádí do syntaxe zvoleného programovacího jazyka, což je činnost poměrně zdlouhavá a náročná na přesnost a nepřináší již do procesu měření obvykle žádné další nové informace. Cílem vývojového prostředí LabVIEW je to, aby blokové schéma bylo koncovým tvarem aplikace, který se již dále nebude převádět do textové podoby. LabVIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench) je obecným vývojovým prostředím s bohatými knihovnami pro vytváření aplikací zaměřených do oblasti měření ve všech fázích tohoto procesu - tj. sběru, analýzy a prezentace naměřených dat. Podporuje všechny čtyři základní způsoby sběru dat do počítače (z měřicích přístrojů přes rozhraní RS 232 nebo GPIB, ze zásuvných multifunkčních karet a ze systému na bázi VXI sběrnice). Poskytuje uživateli plnohodnotný programovací jazyk se všemi odpovídajícími datovými a programovými strukturami v grafické podobě - tzv. G jazyk (Graphical language). LabVIEW je tedy vývojovým prostředím na úrovni např. C jazyka, ale na rozdíl od něj není orientován textově, ale graficky.. Výsledný produkt tohoto vývojového prostředí se nazývá virtuálním přístrojem (Virtual Instrument), protože svými projevy a činností připomíná klasický přístroj ve své fyzické podobě. Virtuální přístroj jako základní jednotka aplikace vytvořené v tomto vývojovém prostředí obsahuje: interaktivní grafické rozhraní (Graphical User Interface - GUI) ke koncovému uživateli - tzv. čelní panel (Front Panel), který simuluje čelní panel fyzického přístroje. Obsahuje prvky pro ovládání a indikaci (knoflíky, tlačítka, LED indikátory, grafy...). Tento čelní panel ovládá uživatel myší nebo z klávesnice. činnost virtuálního přístroje je dána jeho blokovým schématem (Block Diagram). Toto blokové schéma je vytvořeno ikonami reprezentujícími v koncových blocích ovládací a indikační prvky čelního panelu a ve svých uzlových blocích jsou to bloky zpracovávající procházející data. Tento blokový diagram je zdrojovou podobou každé aplikace. virtuální přístroj má hierarchickou a modulární strukturu. Lze jej používat jako celý program nebo jeho jednotlivé podprogramy, které se nazývají podřízenými virtuálními přístroji (Sub- VI). Součástí každého virtuálního přístroje je jeho ikona, kterou je prezentován v blokovém schématu a konektor s přípojnými místy pro vstupní a výstupní signály. Těmito charakteristickými rysy naplňuje vývojové prostředí LabVIEW podmínky modulárního programování. Svou aplikaci dělí uživatel na jednotlivé úlohy, pro které vytváří dílčí virtuální přístroje (subvi) a z nich potom buduje celou aplikaci jejich spojováním do výsledného virtuálního přístroje. Na závěr lze celou aplikaci přeložit do EXE tvaru a provozovat nezávisle na vývojovém prostředí. Díky možnosti vyzkoušet funkci každého dílčího virtuálního přístroje nezávisle na jiných a díky bohaté škále ladicích prostředků je ladění aplikace velmi snadné. Doc. Ing. Jan Žídek, CSc. 2-21