Seznámení s grafickým programovým prostředím LabVIEW a měření A-V charakteristik Zadání laboratorní úlohy 1) Seznamte se základním ovládáním grafického programového prostředím LabVIEW. 2) Vyzkoušejte si základní komunikaci s laboratorním zdrojem Manson SDP2405 (čtení dat, zápis dat do laboratorního zdroje, atd.). Vše kontrolujte vizuálně přímo na laboratorním zdroji. 3) Na základě vašich znalostí doplňte vytvořený program v prostředí LabVIEW tak, aby byl schopen proměřit Ampér-Voltovou (dále jen A-V) charakteristiku, odpor připojené součástky a její výkonovou zrátu. Při realizaci využijte vlastností laboratorního zdroje a vlastností programového prostředí LabVIEW. Teoretický úvod Programové prostředí LabVIEW od firmy National Instruments (NI) je navrženo pro rychlou tvorbu automatizovaných měřicích pracovišť. Prostředí LabVIEW komunikuje nebo možná lépe, umí komunikovat s měřicími přístroji pomocí následujících sběrnic: RS-232, LAN, GPIB, USB, PCI Express, atd. Veškerá komunikace je prováděna pomocí knihovny VISA, která je součástí programového balíčku Agilent IO Libraries Suite (obr. 1) nebo programového balíčku MAX (Measurement & Automation explorer od firmy NI). Tento balíček je standardně dodáván se všemi produkty Agilent nebo NI, které mají nějaký komunikační port. Podobné ovladače a knihovny dodávají i jiní výrobci. Pro naše laboratorní úlohy budeme využívat knihoven od firmy Agilent, z důvodu využití GPIB kontrolerů této firmy. Pomocí knihoveny VISA je možné velmi pohodlně ovládat měřicí přístroje i z Obr. 1 Agilent Connection Expert. jiných programových prostředí např. C++. V tomto prostředí se využívá hlavičkového souboru visa.h. -1-
Pro snadnou orientaci v připojených zařízeních je po spuštění osobního počítače spuštěn program Agilent Connection Expert (obr. 1). Tento na ovládání jednoduchý program přehledně informuje o připojených měřicích zařízeních včetně jejich identifikačních řetězců. Pro správnou komunikaci jednotlivých měřicích přístrojů např. pomocí sběrnice GPIB je nutné, aby každé zařízení mělo svoji identifikační adresu. Adresa v případě GPIB sběrnice může nabývat hodnot od 0 do cca 32. Programový balíček dodávaný pod hlavičkou Agilent IO Libraries Suite je vybaven také monitorem této sběrnice, pro snadnou kontrolu při ladění programů. Laboratorní cvičení předmětu Radioelektronická měření jsou zaměřena na představení programového prostředí LabVIEW. Zejména jsou zaměřena na tvorbu jednoduchých automatizovaných měřicích úloh a kladou si za cíl poskytnout studentům potřebný prostor pro pochopení problematiky automatizovaných měření a získání zkušeností s touto problematikou. Na obr. 2 je zobrazeno základní rozhraní programového prostředí LabVIEW s ukázkou velmi jednoduchého programu, který obsahuje pouze jeden příkaz pro laboratorní zdroj Manson SDP2405. Rozhraní programové prostředí LabVIEW, které spustíte poklikáním na ikonu, je rozděleno do dvou samostatných oken, která jsou označena Front Panel fg a) b) -2-
Obr. 2 Základní rozhraní programovacího prostředí LabVIEW. (obr. 2a) a Block Diagram (obr. 2b). Přepínání mezi těmto okny je realizováno pomocí klávesové zkratky CTRL+E. Dále lze pomocí klávesové kombinace CTRL+H vyvolat kontextovou nápovědu a pomocí CTRL+(mezerník) pak funkci rychlého vyhledávání funkcí (Quick Drop), které lze využít pro tvorbu vlastního ovládacího programu. Na obr. 2 je uveden příklad pro zaslání jednoho ovládacího příkazu do laboratorního zdroje Manson a přečtení jeho odpovědi pomocí knihoven VISA. Program nejprve začáná otevřením komunikace pomocí funkce VISA Open, až pak následuje vlastní dotaz na zaslání příkazu a přečtení jeho odpovědi. Při čtení odpovědi z měřicího přístroje je nutné funkci VISA Read říci kolik má přečíst bytů z příslušného portu. Pro zjištění počtu bytů připravených ke čtení je pro sběrnici RS-232 připravena v LabVIEW funkce knihovny VISA Bytes at Serial Port (viz obr. 2b), která vám vrátí počet bytů připravených ke čtení z portu sériové linky. Celý kód pak končí použitím VISA Close pro uzavření komunikace se zdrojem. Pro pochopení vytváření vlastních ovládacích programů v LabVIEW je nutné ještě pochopit řízení toku dat ve vytvářeném programu. V normálním programovacím prostředí např. C++ jsou uživatelé zvyklí, že se program vykonává sekvenčně po jednotlivých řádcích. Toto však neplatí v grafickém programovém prostředí LabVIEW. Vazby mezi jednotlivými objekty jsou provedeny virtuálními vodiči, kterými se objekty spojují. Platí však pravidlo, že na levé straně objektu jsou vždy vstupy do objektu a na pravé straně jsou pak výstupy z použitého objektu. V některých případech jsou taktéž využívány i horní a spodní části objektů, zde je vhodné si jednotlivé vstupy/výstupy zobrazit v kontextové nápovědě (CTRL+H) pro zjištění dalších detailů. Virtuální vodiče je možné spojovat kliknutím vždy na příslušný terminál u jednotlivých objektů. Přípojný terminám se zobrazí po přiblížení kurzoru k objektu, který chceme spojovat. Smazání virtuálního vodiče je možné po jeho vybrání stisknutím klávesy Delete. Neukončené konce jednotlivých vodičů, které se nesmazaly a jedná se o přerušená spojení, lze hromadně smazat pomocí klávesové zkratky (CTRL+B). Postup měření 1) Při řešení této laboratorní úlohy, bude třeba použít následujících komunikačních příkazů, které lze rozdělit do dvou skupin. V první skupině lze uvést následující příkazy: *rst; VOLT 12.3V; CURR 1.54A; OUTPUT ON a OUTPUT OFF. Jedná se o příkazy, které nastavují určité parametry laboratorního zdroje a nemají žádnou odezvu, to znamená, že neposílají žádná data zpět. Naopak do druhé skupiny lze zařadit následující tři příkazy: *idn?; MEAS:VOLT? a MEAS:CURR?. Tyto příkazy mají charakter dotazu na hodnotu nastavenou na laboratorním zdroji nebo jím odměřenou. Po odeslání tohoto typu příkazu je pak třeba ještě přečíst odpověď na takto vznesený dotaz. Příklad použití takovéhoto příkazu je pak zobrazen na obr. 2b. U příkazů si dále povšimněte, že je zde použit oddělovač významové části od hodnoty. Jedná se o tzv. bílý příkaz, v tomto případě o mezeru. Při tvorbě vlastních kódů nezapomeňte tuto mezeru vložit. -3-
Před samotným vytvářením jakéhokoliv programu pro automatizovaná měření, je velmi vhodné si ověřit funkce jednotlivých příkazů. Pro ověření první skupiny příkazů, která byla definována v předchozím odstavci lze použít část programu uvedenou na obr. 2b. Je zde však nutné odmazat část, která se zabývá čtením odpovědi na příkaz *idn?. Samotné příkazy je pak vhodné vkládat jako konstanty typu string a nebo je vkládat z okna Front Panelu pomocí boxu Controlleru. Kontroler vytvoříte v okně Block Diagramu kliknutím na patřičný vstup pomocí pravého tlačítka myši a pak vyberete volbu Create Control. Obdobným způsobem pak můžete vytvořit i patřičnou konstantu. Samotný program můžete spustit pomocí ikonky šipky v horní liště. Obdobnou ikonkou stopky pak můžete program násilně ukončit. Před samotným spuštěním je ještě vhodné nastavit adresu měřicího přístroje v příslušném Control Boxu, který je nazván VISA resource name. Zde by mělo být vyplněno ASRL1::INSTR, případně ASRL3::INSTR, dle typu PC u kterého právě sedíte. Reakci zdroje na jednotlivé příkazy lze vizuálně kontrolovat přímo na zdroji a ověřit tak správnost nastavení komunikačního protokolu. Jednotlivé příkazy zahrnuté do první skupiny mají následující význam: *rst nastaví přístroj do továrního nastavení; VOLT XX.XV nastavuje požadované napětí na zdroji v rozmezí 1 až 40 V. Příkaz se skládá ze tří částí: VOLT uvozuje nastavení napětí, (mezera) povinná část oddělující příkaz od parametru a XX.XV které přestavují požadovanou hodnotu napětí včetně jednotek; CURR Y.YYA tento příkaz nastavuje požadovanou hodnotu výstupního proudu v rozmezí 0 až 5 A. Při dosažení této hodnoty přejde laboratorní zdroj do režimu konstantního zdroje proudu; OUTPUT ON slouží pro sepnutí výstupních svorek. Po provedení tohoto příkazu se aktivuje výstup laboratorního zdroje; OUTPUT OFF slouží pro deaktivaci výstupu. Tyto příkazy pak můžete do měřicího přístroje zaslat pomocí funkce VISA Write, kde příslušný příkaz zapíšete buď jako konstantu a nebo control typu string na vstupu funkce VISA Write. Pro ověření funkčnosti druhé skupiny příkazů je třeba použít rozšířenou část programu, jejíž příklad je uveden na obr. 2b. V tomto případě je nejprve nutné samotný příkaz do zdroje odeslat jako požadavek a pak je také nutné vyčíst odpověď z laboratorního zdroje pomocí funkce VISA Read. Pro zobrazení odpovědi je vhodné využít např. indicator (vyvoláte jej přes pravé tlačítko myši u příslušného výstupu) u funkce VISA Read: *idn? je příkaz, který slouží pro identifikaci laboratorního zdroje. Jako odpověď je pak vrácen string řetězec, který obsahuje jméno výrobce, typ zdroje, a jeho sériové číslo; MEAS:VOLT? slouží pro vyčítání aktuálních hodnot napětí, které je měřeno na výstupních svorkách; -4-
MEAS:CURR? slouží pro vyčítání aktuálních hodnot proudu, který protéká výstupními svorkami. Při vyčítání dat z měřicího přístroje je nutné ještě funkci VISA Read sdělit, kolik bytů je třeba z daného portu přečíst. Zjištění počtu bytů, které jsou dispozici v příslišném bufferu kontroleru sběrnice, je možné pomocí funkce Bytes at Serial Port (obr. 2b). Tento stav počtu připravených bajtů lze pomocí této funkce zjistit pouze při komunikaci po sběrnici RS-232. 2) Samotné programování se provádí pomocí pokládání jednotlivých objektů na prázdnou plochu v okně Block Diagram. Jednotlivé funkce lze na plochu pokládat z Function Palette, kterou vyvoláte kliknutím pravým tlačítkem na prázdnou plochu. Poté již můžete vybrat požadovanou funkci a položit ji na vámi zvolené místo v programu. Funkci je pak nutné ještě zapojit pomocí virtuálních vodičů. Pro vytvoření programu, který je schopen automaticky měřit A-V charakteristiku je třeba ještě vysvětlit funkci některých objektů, které mohou být použity. Jedná se zejména o objekty For Loop a Case structure. Programová struktura cyklu For se v LabVIEW nazývá For Loop a lze ji nalézt v sekci Programming Structures. Zvenčí je třeba přivést na vstup N hodnotu požadovaného počtu opakování cyklů. Naopak výstup i, pak v průběhu vykonávání cyklu poskytuje informaci o tom, který běh cyklu je právě vykonáván. V případě přivedení vodiče do cyklu jsou na jeho jednotlivých stranách vytvořeny objekty označené pomocí malého čtverečku. Tyto vstupy a výstupy je pak třeba ve většině případů přeměnit na Shift Registry (pravé tl. myši Replace with Shift Register), pokud s danou hodnotou chceme pracovat a v průběhu cyklu se její hodnota mění. Tímto způsobem zajistíme, že se data vždy po skončení jednoho běhu cyklu překlopí zase na vstup druhého cyklu. Naopak pokud se daná hodnota nemění, je pro náš cyklus konstantní, není nutné využívat Shift Registr. Samotný cyklus funguje tím způsobem, že to co je ohraničeno hranicí cyklu (černý čtvereček, rámeček), se vykoná N krát. Další programovací blok, který budete pravděpodobně potřebovat během realizace laboratorních cvičení předmětu Radioelektronická měření, je blok nazvaný Case Structure. Je to blok pomocí něhož pak můžete provádět různé podmínečné větvení programu. Struktura podmínky v prostředí LabVIEW je zřejmá z obr. 4. Na levém boku této struktury je vstup označený jako?. Toto je rozhodovací vstup, dle kterého je Case struktura řízena. Defaultně je přednastaven pro proměnné typu Boolean, ale po přivedení jiného typu proměnné se automaticky Obr. 3 For Loop structure. Obr. 4 Case Structure. -5-
přenastaví na požadovaný typ. Lze tedy pomocí této struktury porovnávat i čísla, znaky či řetězce. V horním rámečku je pak třeba ještě příslušnou podmínku patřičně přeformulovat, tak aby odpovídala vstupní porovnávané proměnné. Jednotlivé větve podmínky jsou pak reprezentovány jednotlivými záložkami (listy) struktury Case Structure. Při tvorbě vašeho programu budete možná také potřebovat použít i následující funkce prostředí LabVIEW Format Into String, Scan From String, Initialize Array, Build Array a Bundle. Tyto funkce můžete nalézt pomocí funkce Quick Drop (CTRL+mezerník) a poté napsaním jména požadované funkce do zadávacího řádku. Při použití funkce Scan From String je třeba funkci správně nastavit, je nutné specifikovat jaká data má funkce v textu hledat. Je tedy nezbytné nastavit oddělovač desetinného míst a pak (nová operace) co má funkce v daném textu vyhledávat (obr. 5). Zobrazenou nabídku z obr. 5 je možné vyvolat dvojitým poklepáním na funkci Scan From String. Při formátování čísla na text, který budete do měřicího přístroje odesílat, je nutné přesně dodržet strukturu příkazu definovaného pro každý měřicí přístroj. Pro toto formátování je výhodné použít funkce Format Into String. Formátování textu pomocí Obr. 5 Nastavení funkce Scan From String a Format Into String. této funkce je třeba nastavit. Po dvojitém kliknutí na funkci se objeví grafické prostředím kde je možné formátování zadat (obr. 5). Vytvářený příkaz musí začít samotným textem příkazu (viz víše bod 1 postupu měření), pak musí následovat mezera. V tomto místě již můžeme přidat nějaký parametr (námi vygenerované číslo, které chceme převést na fractal string). Zde nezapomeňte zadat také oddělovač desetinné části od celého čísla. Konec formátování příkazu by měl končit jednotkami v jakých je číslo zadáváno (A nebo V, případně mv, nebo ma) pomocí formátu Output exact string. Naměřené hodnoty, které budou v přůběhu cyklu odměřovány, je vhodné průběžně vkládat do datových polí (každá měřená veličina má vlastní datové pole hodnot). Nejjednodušší je vytvořit datový typ typu Array, který bude prázdný. Tohoto lze dosáhnout pomocí funkce Initialize Array, kde na vstup element připojíme konstantu typu double o hodnotě např 0 (lze vytvořit kliknutím pravého tl. myši na příslušním vstupu a pak zvolit Create Constant). Na druhém vstupu dimension size je nutné obdobným způsobem vytvořit konstantu s hodnotou 0. Nastavením tohoto parametru na 0, pak dojde k vytvoření pole formátu double, ale s nulovou délkou = prázdné pole. Pokud pak do pole přidáme první číslo / hodnotu objeví se na první pozici s indexem 0. Postupné přidávání jednotlivých prvků do pole (naměřených hodnot), lze pak realizovat pomocí funkce Build Array, kde je třeba -6-
funkci pomocí táhnutí myší za spodní okraj rozšířit, tak aby měla dva vstupy. Na první vstup funkce přivedeme pole do kterého chcete přidat novou hodnotu. Nová data je posléze nutné připojit na druhý vstup funkce Build Array. Tímto zapojením jsou do pole postupně přidávány nové hodnoty, přičemž nová hodnota se vždy objeví na konci pole. Pokud bychom vstupy přehodili, pak by došlo ke vkládání nové hodnoty naopak na začátek pole. Pro zobrazení naměřených dat je vhodné postupně plněná pole s naměřenými veličinami proudu a napětí spojit do clusteru a ten pak zobrazit pomocí vhodného grafu. Pro spojení polí je možné využít funkci Bundle, jejímž výstupem je pak požadovaný typ clusteru vodný pro grafické zobrazené. Na první vstup pak přivedeme veličinu pro osu X a na druhý pak veličinu, která bude zobrazována na ose Y. Vhodný graf získáte např. tak že v okně Front Panel klikněte pravým tlačítkem myši a vyberete z palety Silver Graph XY Graph (Silver). V zadání laboratorní úlohy bylo požadováno vytvoření ovládacího programu pro měření A-V charakteristik. Požadovaný program může mít následující vývojový diagram: 1 navázání komunikace s laboratorním zdrojem; 2 nastavení počátečního napěťového a proudového omezení; 3 sepnutí výstupních svorek; 4 pomocí cyklu (For Loop) provést vlastní měření A-V charakteristiky. Toto měření lze provádět buďto změnou napětí nebo proudu (změna nastavení proudu se jeví jako vhodnější, protože zdroj neumožňuje nastavit výstupní napětí menší než 1 V), přičemž druhý parametr musí být dostatečně předem nastaven (celkové proudové nebo napěťové omezení). Následně je nutné provést odečet aktuálních hodnot napětí a proudu a výsledek převést do správného formátu a také zobrazit graficky; 5 na dalších dvou grafech zobrazte také výkonovou zrátu na žárovce a její odpor v závisloti na budícím napětí; 6 po skončení měření je vhodné odpojit laboratorní zdroj od zátěže a rozpojit komunikaci po lince RS-232 a tím uvolnit port pro další komunikaci pomocí jiných programů. Literatura [1] Manson, Laboratory Grade, Remote Programming Switching Mode DC regulated Power Supplies, SDP Series. 2005, 7673-2405-0007. -7-