 |
Стислі теоретичні відомості
|
|
|
|
Одним із напрямків створення ІВС є створення модульної розподіленої системи збору й обробки вимірювальної інформації з використанням послідовного інтерфейсу. Такі системи використовують просте підключення модулів введення та виведення даних до будь-якого комп’ютера, оснащеного інтерфейсом RS-232, тобто який має СОМ -порти для передачі інформації в цифровому форматі.
На даний час декілька відомих фірм спеціалізуються на розробці та виробництві модулів для створення розподілених ІВС, серед яких фірма National Instruments (NI), Advantech (США), ICP DAS (Тайвань) та ін. Номенклатура таких модулів у наш час більша за сотню.
Структурна схема розподіленої системи, що використовує модулі серії І-7000 фірми ICP DAS, зображена на рис. 33.
Система базується на послідовному інтерфейсі RS-485, що призначений для промислового використання. Канал зв’язку являє собою двопровідну лінію, довжина якої може сягати 2 км. До лінії може бути підключено до 256 модулів для введення/виведення (або тільки введення чи виведення) аналогової, цифрової та управляючої інформації, що направляється від (або до) об’єктів дослідження. Кількість модулів може бути збільшена при використанні модулів розширення (магістральних повторювачів).
Підключення системи до управляючого комп’ютера ПК виконується через один з його СОМ -портів послідовного інтерфейсу RS-232. Перетворення сигналів інтерфейсу RS-232 в сигнали інтерфейсу RS-485 виконується за допомогою модуля узгодження (наприклад, модуля типу I-7520). Таке перетворення необхідне у зв’язку з тим, що інтерфейс RS-232, яким оснащений практично кожний комп’ютер, має невелику навантажувальну спроможність, що дозволяє підключати не більше 2-х модулів на відстані до 2 метрів. Протоколи обміну інформацією обох інтерфейсів подібні: вони мають 8-ми бітовий формат передачі даних без (або з) контролю парності. Модулі узгодження працюють в автоматичному режимі настроювання у відповідності до характеристик інтерфейсу RS-232 ПКі не потребують додаткового програмування.
|
|
|
 |
Модулі серії І-7000 мають вбудований контролер, який працює за програмою, що зберігається в енергонезалежній пам’яті. Модулі мають декілька режимів роботи, які можуть бути запрограмовані за допомогою ПК. Процес установлення режимів роботи окремих модулів командами, що поступають із ПК, називається процесом конфігурації.
Модулі серії І-7000 забезпечують:
- зв’язок та обмін командною інформацією з управляючим ПК по каналу RS-485;
- введення та виведення аналогової інформації за допомогою АЦП (AD) та ЦАП (DA) перетворювачів, розрядність яких становить не менше 12 біт. Це забезпечує похибку на рівні не гірше 0,1%. Частота виконання вимірювань – до 10 вимірювань за секунду;
- введення та виведення цифрової інформації (модулі DI та DO) із частотою до 100 Гц;
- підрахунок числа подій та вимірювання частоти імпульсних сигналів;
- керування зовнішніми пристроями за допомогою модулів комутації, у тому числі силових;
- гальванічну розв’язку до 3000 В від об’єктів дослідження, а також ПК від каналу RS-485;
- захист зовнішніх пристроїв від можливих нештатних ситуацій (відключення ПК, збої живлення модулів) за рахунок переходу в аварійний режим з фіксованими значеннями керуючих й інформаційних сигналів та системи автоматичного відновлювання роботи.
Програмне забезпечення для роботи з модулями включає:
- систему команд для виконання операцій конфігурування, калібрування каналів передачі даних, введення та виведення інформації. Структура команд уніфікована, хоча кожний із модулів має характерні команди, що випливають із особливостей його призначення;
|
|
|
- програмні утиліти для спрощення процедури налагодження системи, перевірки її працездатності, конфігурування модулів, калібрування каналів;
- бібліотеку драйверів (DLL), яка дозволяє програмування модулів для роботи в різних програмних середовищах, у тому числі в LabVIEW.
Подача команд може виконуватись: розробленими користувачем програмами, за допомогою програми утилітів в ручному режимі, а також за допомогою бібліотечних програм драйверів, які можуть бути вбудовані в інші програмні модулі.
У LabVIEW програми драйверів представлені у вигляді ПВІ, що мають вхідні та вихідні дані. Всі ПВІ можна поділити на ПВІ керування каналом передачі даних та ПВІ керування модулями. До ПВІ керування каналом передачі даних відносяться програми увімкнення та вимкнення СОМ- порту ПК. Вхідними даними ПВІ увімкнення СОМ -порту є його номер, швидкість передачі даних, формат передачі (вказується кількість бітів послідовної передачі, як правило, це 8 біт), біт керування контролем парності та біт необхідності використання стоп-біту.
Вхідними даними ПВІ керування модулями є керуюче слово W7000 та слово даних f7000, які подаються у вигляді масивів із 8 елементів. Керуюче слово W7000 як правило містить номер СОМ-порта ПК, до якого підключена система, номер модуля в системі, назву модуля, біт керування увімкненням підрахунку контрольної суми, час установки, дані керування, біт керування збереженням керуючого слова.
Дані інформації, що передаються до модуля вбудовуються в масив даних f7000. Дані, що отримуються від модуля, містяться в масиві з таким же ім’ям f7000. Таке об’єднання масивів введення та виведення можливе тому, що операції введення та виведення розподілені в часі.
Проектування розподіленої системи виконується в наступній послідовності:
- підготовчий етап;
- розробка програмного забезпечення;
- наладка розробленого ВІ та його документування.
Підготовчий етап, який виконується за допомогою програми утиліти 7000Util, включає:
- приєднання модулів до системи та їх конфігурування;
- перевірка працездатності системи;
- калібрування модулів;
Приєднання модулів до системи виконується послідовно. Нові модулі за замовчуванням мають шістнадцяткову адресу 01Н. Приєднання модуля до системи виконується простим з’єднанням до двопровідної лінії інтерфейсу RS-485. Якщо в системі має бути більше одного модуля, то перед підключенням інших модулів необхідно змінити адресу вже підключеного (інакше в системі буде декілька модулів з однаковими адресами). Використання модулів з однаковою адресою виключається. Зміну адреси та конфігурування окремих модулів виконують за допомогою програми утилітів 7000Util.
|
|
|
Після запуску програми 7000Util з’являється вікно, головне меню якого має опції:
- COM Port -для настроювання послідовного каналу RS-232, що дозволяє вибрати номер СОМ-порта до якого підключена система, швидкість передачі інформації та необхідність підрахунку контрольної суми;
- Search – для пошуку та ідентифікації вже підключених модулів із зазначенням їх адрес, типів та режимів роботи;
- Run – для помодульної перевірки працездатності системи в циклічному режимі з індикацією вхідних та вихідних даних у вигляді таблиці;
- Terminal – для виконання окремих команд модулями системи, що використовується для конфігурування модулів, зміни їх адрес, передачі та прийому інформації, виконання процедур калібрування та інші операції програмування;
- Reset – скидання операцій, які викликані основними опціями меню;
- Help – опція допомоги.
Підготовчий етап починається з настроювання COM-порта шляхом вибору необхідних характеристик у вікні, що викликається опцією COM Port. Зміну адреси модуля та його конфігурування можна виконати через виклик опції Terminal використовуючи систему команд зазначеного модуля. Іншим шляхом є виконання команди Search (Пошук). Під час вибору цієї команди програма 7000Util починає послідовний пошук всіх підключених модулів за їх адресами по всіх COM-портах. Після виявлення всіх модулів і показу їх у списку треба зупинити процес пошуку кнопкою Пауза, що знаходиться над списком. Якщо із вказаного списку вибрати потрібний модуль, то подвійним клацанням ЛКМ можна викликати вікно конфігурування модуля. У цьому вікні задається номер модуля в системі та його режими роботи. Вигляд вікна та опцій буде залежати від типу обраного модуля.
|
|
|
Після конфігурування системи виконується перевірка працездатності системи запуском модулів системи на пробне виконання командою Run.
Калібрування модулів виконується відповідно до технічної документації на модуль за допомогою команд калібрування, які можна виконати через виклик опції Terminal. Під час виконання команд калібрування встановлюються та запам’ятовуються коефіцієнти корекції, які обчислюються при підключенні до модуля та встановленні величин, що відповідають граничним або нульовим значеням діапазонів перетворення модуля.
Розробка програмного забезпечення в LabVIEW виконується із використанням бібліотеки ПВІ, що виконують операції введення, виведення та керування модулями системи. Програма роботи із модулем структурно розбивається на три етапи:
- ініціалізація та відкриття роботи СОМ-порту;
- виконання основної програми;
- закриття СОМ-порту.
На етапі ініціалізації виконується відкриття СОМ-порту, до якого підключена система. При цьому задаються основні параметри цього підключення. Виконання основної програми припускає основні дії, що передбачені алгоритмом роботи системи. Закриття СОМ-порту обов’язкове в зв’язку з тим, що при його невиконанні повторне використання каналу неможливо.
Слід зазначити, що при використанні модулів фірми National Instruments (а також інших фірм, що співпрацюють з NI) процес проектування розподіленої системи може бути спрощений у зв’язку з тим, що потрібні драйвери вже вбудовані в базове програмне забезпечення LabVIEW, а при підключенні системи до ПК виконується автоматичне розпізнавання та підключення необхідного програмного забезпечення в режимі Plug&Play.
На рис. 34 представлена структурна схема модуля АЦП (AD)
І-7011. Існує декілька модифікацій модулів І-7011, які незначною мірою відрізняються конструктивним виконанням і характеристиками. Ці особливості позначаються літерами. Наприклад, літера D вказує на наявність цифрового дисплея на корпусі модуля.
Модуль АЦП І-7011 призначений для вимірювання напруг та струмів, що повільно змінюються в часі. Він включає одноканальний 16-розрядний сигма-дельта АЦП, який забезпечує похибку перетворення не гірше 0,05% в частотному діапазоні вхідних сигналів до 4 Гц. Модуль має шість діапазонів вимірювання напруг: ±15мВ, ±50мВ, ±100мВ, ±500мВ, ±1В, ±2,5В. Діапазон вимірюваних струмів становить ±20 мА. Частота вимірювання та зчитування інформації - до 10 Гц.
Модуль забезпечує можливість підключення термопар J,K,T,E,R,S,B,N,C типів з можливістю компенсації електрорушійної сили (ЕРС) холодного спаю. Залежно від типу термопари змінюється температурний діапазон вимірюваних температур. Термопара та вхідні аналогові сигнали підключаються до входів IN+ та IN-.
|
|
|
Додатково модуль І-7011 має внутрішній лічильник для підрахунку кількості зовнішніх подій. Підключення зовнішніх пристроїв до внутрішнього лічильника виконується через однорозрядний цифровий вхід DI0/EV, який також можна використовувати для прийому однобітної цифрової інформації.
В модулі також передбачено двобітне виведення цифрової інформації через виходи DO0/LO та DO1/HI. Тип виходів - відкритий колектор, який дозволяє формувати сигнали амплітудою до 30 В.
Модуль може виконувати моніторинг вхідних аналогових величин на предмет виходу за межі допустимих значень, що встановлюються програмно. Результати моніторингу можуть бути зчитані програмно або виведені через виходи DO0/LO та DO1/HI. При перевищенні вхідною величиною максимально допустимого рівня транзистор виходу DO1/HI переводиться у відкритий стан. При зменшенні вхідної величини нижче мінімально допустимого рівня у відкритий стан переводиться транзистор виходу DO0/ LO.
Підключення модуля І-7011 до каналу зв’язку RS-485 виконується через контакти Data+ й Data- так само якінші модулі. Живленнямодулів бажано виконувати від автономних джерел постійного струму з напругою від 10 В до 30 В.
Список деяких команд модуля І-7011 (всього 34) наведений у табл. 2.
Таблиця 2
| № п/п | Код команди | Відповідь | Опис команди |
| %AANNTTCCFF | !AA | Конфігурування модуля | |
| #AA | >(data) | Читання аналогового входу | |
| $AA0 | !AA | Калібрування граничного значення | |
| $AA1 | !AA | Калібрування нульового значення | |
| $AA2 | !AATTCCFF | Читання коду конфігурації модуля | |
| $AA3 | !AA(data) | Читання значення темпера-тури холодного спаю | |
| $AA9±CCCC | !AA | Корекція значення холодно-го спаю (задається ±СССС) | |
| $AAM | !AA(data) | Читання назви модуля | |
| @AADI | !AAS0D0I | Читання цифрового входу або результатів моніторингу рівнів | |
| @AADO0D | !AA | Встановлення цифрових виходів D | |
| @AARE | !AA(data) | Читання лічильника | |
| @AACE | !AA | Зкидання лічильника |
Команда складається з поділяючого символу, поточного номера модуля в системі у шістнадцятковому коді АА, номера модуля, що встановлюється або залишається NN, та шістнадцяткових кодів конфігурації TT, CC, FF які встановлюють відповідно діапазон вимірюваних значень, швидкість передачі інформації по каналу RS-485, формат відображення даних та наявність контролю парності даних, щопередаються. Коди конфігурації наведені в табл. 3, 4, 5. Інженерний формат, що задається кодом FF (в табл. 5 показаний побітно), використовує відображення даних у дійсній формі із плаваючою комою, відсотковий – у формі відсотка від максимального значення діапазону, шістнадцятковий – двокомпонентний код, значення якого змінюється від 7FFF до 8000, що відповідає граничним точкам вибраного діапазону.
Таблиця 3
| Код ТТ | Вхідний діапазон | Код ТТ | Вхідний діапазон |
| ±15мВ | 0F | K- тип (0°C - 1000°C) | |
| ±50мВ | T- тип (-100°C - 400°C) | ||
| ±100мВ | E- тип (0°C - 1000°C) | ||
| ±500мВ | R- тип (500°C - 1750°C) | ||
| ±1 В | S- тип (500°C - 1750°C) | ||
| ±2,5 В | B- тип (500°C - 1800°C) | ||
| ±20мА | N- тип (-270°C - 1300°C) | ||
| 0E | J- тип (0°C - 760°C) | C- тип (0°C - 2320°C) |
Таблиця 4
| Код CC | 0A | |||||||
| Швидкість передачі (Бод) |
Таблиця 5
| № розряду | ||||||||
| Двійкове значення | 0- без контро-лю парності 1- із контро-лем парності | 00 – інженерний формат 01 – відсотковий формат 10 – шістнадцятковий формат |
Під час надавання команди модуль формує відповідь, що починається знаком оклику (!), якщо команда прийнята, або знаком питання (?) чи повідомленням No Respons при помилках.
Вимірювання температури за допомогою термопари проводиться через вимірювання напруги термопари, що підключається до входу модуля (виводи IN+ та IN-), та електрорушійної сили (ЕРС) холодного спаю, що знаходиться на місці підключення (усередині модуля). Напруга, що вимірюється модулем, пропорційна різниці температур зовнішнього спаю термопари та її холодного спаю. Залежність цієї напруги від різниці температур нелінійна і визначається типом термопари. Вимірювання ЕРС виконується через вимірювання напруги, яка пропорційна температурі холодного спаю, і знімається із допоміжного напівпровідникового датчика температури (термістора), який розміщено у середині модуля. Залежність ЕРС від температури також нелінійна. За допомогою табличних перетворень напруга, що вимірюється модулем, та ЕРС перетворюються у відповідні значення температур Т1 й Т2. Результуюче значення температури обчислюється як сума температури холодного спаю Т2 та різниці температури зовнішнього спаю Т1.
|
|
|
