Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

Гёлль Патрик

«Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс»

Ваш ПК: тестер, осциллограф, регистратор данных…

Введение

Любой IBM-совместимый персональный компьютер (ПК), даже несколько лет провалявшийся в глубине шкафа за ненадобностью, может превратиться в мощный измерительный комплекс, если его снабдить одним или несколькими аналоговыми входами. Его клавиатура и экран предоставляют существенно большие возможности по сравнению с теми, которые могут дать мультиметр или осциллограф, а дисковод и принтер прекрасно подходят для регистрации любых длительных процессов. Кроме того, вычислительная мощь ПК позволяет подвергать собранные с его помощью информационные данные любой, даже очень сложной обработке. Еще несколько лет назад для превращения ПК в виртуальный измерительный прибор требовалось установить в компьютер одну или несколько сложных и дорогостоящих плат.

Подобный подход до сих пор используется в промышленности и научных лабораториях, но сегодня также можно добиться достойных результатов, просто подключив небольшие аналого-цифровые преобразователи к стандартным последовательным или параллельным портам. На рынке есть готовые изделия, предлагаемые по приемлемой цене, но подобные устройства можно собрать и самостоятельно, руководствуясь схемами и рекомендациями, приведенными в данной книге.

Благодаря библиотеке драйверов, которые предназначены для описываемых устройств, эта книга и файлы, находящиеся на сервере www.dmk.ru, позволят читателю быстро перейти к практической работе, каков бы ни был его уровень знаний в области электроники.

Для всех задач, рассматриваемых здесь, приводятся программы, готовые к применению, причем можно адаптировать их так, чтобы они отвечали иным потребностям, всего лишь изменив несколько строк на языке BASIC. Таким образом, что очень важно, виртуальный измерительный комплекс является перепрограммируемым.

Сегодня принято называть «виртуальными» все хотя бы в некоторой степени нестандартные приложения для персональных компьютеров. Много полезных вещей можно просто моделировать на хорошем цветном экране с высоким разрешением, и результат зачастую будет выглядеть «лучше, чем есть на самом деле».

Итак, на экране виртуального измерительного прибора наверняка будет представлена сложная, насыщенная картинка, на которой есть и кнопки, и различные индикаторы, и шкалы, и даже осциллографические экраны. Возможности графических интерфейсов типа Windows обеспечивают гораздо более широкую область применения, чем может иметь обычный измерительный прибор, — не говоря уже о потенциальном использовании принтеров, дисковых накопителей, а также модема, подключенного к Internet.

Собственно виртуальный прибор представляет собой более или менее сложное программное обеспечение, установленное на персональный компьютер, и некое интерфейсное устройство, позволяющее ПК получить доступ к тем физическим величинам и процессам, которые он должен будет обрабатывать. Как правило, в качестве такого интерфейса выступает аналого-цифровой преобразователь с одним или несколькими входами, возможно, снабженный устройством нормирования входного сигнала.

В принципе, можно рассчитывать на то, что виртуальный прибор предоставит своему владельцу гораздо более широкие возможности, причем по цене будет сравним с классическим измерительным прибором, имеющим тот же уровень технических характеристик.

Такой подход позволяет ограничиться минимальными затратами, если требования к измерительному комплексу не очень жесткие. Подобное решение идеально соответствует нуждам радиолюбителей, преподавателей и даже некоторых научно-исследовательских лабораторий, которые имеют дело с относительно медленными физическими процессами. Кроме того, это дает возможность вернуть к активной и полезной работе самые старые из IBM-совместимых ПК, которые, казалось бы, обречены на то, чтобы тихо пылиться в глубинах шкафов и кладовок благодаря умопомрачительной эволюции вычислительной техники (и политике компаний-производителей ПК и программного обеспечения).

1. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ВИРТУАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Ниже приведена концепция построения виртуального измерительного комплекса на базе персонального компьютера и рассмотрены задачи, решаемые при помощи составных частей этого комплекса.

РОЛЬ КОМПЬЮТЕРА

Компьютер (чаще всего IBM-совместимый, настольный или портативный) как центральный орган любой виртуальной измерительной системы выполняет прежде всего функции интерфейса «человек — объект измерения». Экран любого монитора дает гораздо больше возможностей для индикации, чем экран осциллографа (будь тот даже запоминающим), и, разумеется, экран монитора гораздо больше, чем дисплей мультиметра. Клавиатура и особенно мышь гораздо удобнее в работе, чем кнопки, а принтер — даже простейший — предоставляет неоценимые возможности для вывода результатов на бумагу. Кроме того, любой ПК, пусть даже очень «древний», обладает большой вычислительной мощностью, которую можно использовать для того, чтобы применить различные виды обработки результатов измерений: нормирование (приведение шкалы), линеаризацию, временную привязку, вычисление среднего, статистику и т. д. Наконец, дисковый накопитель будет очень удобен для накопления больших объемов данных с целью их последующей обработки, архивирования или передачи по линиям связи с помощью модема.

РОЛЬ ИНТЕРФЕЙСНЫХ УСТРОЙСТВ

Измерение физических параметров, таких как напряжение, ток, температура или давление, предполагает точную оценку аналоговых величин. Компьютер же работает исключительно с дискретными величинами. Отсюда ясно, что процесс превращения ПК в виртуальный измерительный прибор предполагает подключение аналого-цифрового преобразователя (АЦП). АЦП может общаться с компьютером либо через последовательный или параллельный порты, либо непосредственно через шины, если аналого-цифровой преобразователь выполнен в виде платы расширения или карты PCMCIA.

Первый вариант гарантирует максимальную простоту и дешевизну, а при использовании второго можно получить отличные характеристики, но только за счет сложности и высокой цены. Интерфейсное устройство также может выполнять и другие необходимые функции, например, гальваническую развязку источников сигналов от цепей ПК, согласование сигналов, формируемых некоторыми типами датчиков, по импедансу, напряжению, полярности и т. д., а также коммутацию нескольких входных каналов.

РОЛЬ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Область применения виртуального прибора практически полностью определяется характеристиками программного обеспечения, в то время как характеристики интерфейсных устройств в большинстве случаев вполне понятны пользователю.

Промышленные изделия подобного рода почти всегда используются при работе с более или менее развитым графическим интерфейсом (кстати, не всегда под Windows), позволяющим выбрать тот или иной режим с помощью клавиатуры или мыши через различные меню (рис. 1.1).

Рис 1.1. Пример экранных меню виртуального измерительного прибора

Как будет показано в дальнейшем, очень удобно создавать маленькие программы, специально предназначенные для выполнения той или иной практической задачи. Часто они пишутся на таком популярном и простом языке, как BASIC. Небольшое структурирование этих программ позволит применять и промышленные интерфейсные устройства, и устройства, самостоятельно собранные из отдельных элементов, путем простой переустановки соответствующего драйвера. Ниже будет проведено сравнение обоих вариантов, благодаря чему читатели смогут выбрать решение, наиболее соответствующее их личным потребностям, техническим и финансовым возможностям, и, наконец, талантам в области программирования.

Помимо выполнения программ сбора данных, пользователь виртуального измерительного прибора сможет часто экспортировать результаты измерений в более развитые приложения, например, электронные таблицы или программы построения диаграмм. Эти офисные приложения делают понятными самые абстрактные записи или массивы данных, выделяя в них незаметные на первый взгляд тенденции или взаимные связи. И, конечно, файлы цифровых данных, полученные при записи измеряемых физических параметров, могут передаваться по линиям связи с использованием модема, в частности, по электронной почте и через Internet.

ТОЧНОСТЬ И БЫСТРОДЕЙСТВИЕ

При сравнении между реальными и виртуальными приборами, помимо предоставляемых возможностей и режимов работы, надо также принимать во внимание и их основные характеристики, а именно точность и быстродействие.