Villamos jelek mintavételezése, feldolgozása. Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás 9. előadás

Átírás

1 Villamos jelek mintavételezése, feldolgozása (ellenállás mérés LabVIEW támogatással) Számítógépes mérőrendszerek Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás 9. előadás Dr. Iványi Miklósné, egyetemi tanár Schiffer Ádám egyetemi adjunktus LabVIEW-7.1 EA-2/1

2 Ellenállás mérés és adatbeolvasás R n ismert mért adat U n,u x Un Ux i=, R x = Rn i gerjesztés U s külső forrás válaszjelek { U n ach 0 U x ach 1 LabVIEW-7.1 EA-2/2

3 Ellenállás mérés és adatbeolvasás feladatai 1. A mintavételező kártya méréshatárinak beállítása, 2. A villamos hálózatról beolvasott jel mintavételezése, 3. A beolvasott jel mintavételezésének ellenőrzése, 4. A mérési feladat elvégzése. LabVIEW-7.1 EA-2/3

4 A mintavételezési kártya-(built in) fs=200 khz NI DAQCard-6024E (for PCMCIA) NI DAQCard-6024E (for PXI) LabVIEW-7.1 EA-2/4

5 NI PCI Bit, 1 MS/s/ch, Simultaneous Sampling Multifunction DAQ LabVIEW-7.1 EA-2/5

6 NI PCIe-6363 X Series Data Acquisition 32 analog inputs, 2 MS/s 1-channel, 1 MS/s multichannel; 16-bit resolution, ±10 V Four analog outputs, 2.86 MS/s, 16-bit resolution, ±10 V 48 digital I/O lines (32 hardware-timed up to 10 MHz) Four 32-bit counter/timers for PWM, encoder, frequency, event counting, and more Analog and digital triggering and advanced timing with NI-STC3 technology Support for Windows 7/Vista/XP/2000 LabVIEW-7.1 EA-2/6

7 Specifications General Product Name NI PCIe-6363 Product Family Multifunction Data Acquisition Form Factor PCI Express Part Number Operating System/Target Real-Time, Windows LabVIEW RT Support Yes DAQ Product Family X Series Measurement Type Digital, Frequency, Voltage, Quadrature encoder RoHS Compliant Yes LabVIEW-7.1 EA-2/7

8 Analog Input Channels 16, 32 Single-Ended Channels 32 Differential Channels 16 Resolution 16 bits Sample Rate 2 MS/s Throughput (All Channels) 1 MS/s Max Voltage 10 V Maximum Voltage Range -10 V, 10 V Maximum Voltage Range Accuracy 1.74 mv Minimum Voltage Range -0.1 V, 0.1 V Minimum Voltage Range Accuracy 38 µv Number of Ranges 7 Simultaneous Sampling No LabVIEW-7.1 EA-2/8

9 Analog Output Channels 4 Resolution 16 bits Max Voltage 10 V Maximum Voltage Range -10 V, 10 V Maximum Voltage Range Accuracy 1.89 mv Minimum Voltage Range -5 V, 5 V Minimum Voltage Range Accuracy 935 µv Update Rate 2.86 MS/s LabVIEW-7.1 EA-2/9

10 Digital I/O Bidirectional Channels 48 Input-Only Channels 0 Output-Only Channels 0 Number of Channels 0, 48 Timing Software, Hardware Clocked Lines 32 Max Clock Rate 10 MHz Logic Levels TTL Input Current Flow Sinking, Sourcing Output Current Flow Sinking, Sourcing Programmable Input Filters Yes Supports Programmable Power-Up States? Yes Current Drive Single 24 ma Current Drive All 1 A Watchdog Timer Yes Supports Handshaking I/O? No Supports Pattern I/O? Yes Maximum Input Range 0V,5V Maximum Output Range 0V,5V LabVIEW-7.1 EA-2/10

11 Counter/Timers Counters 4 Number of DMA Channels 8 Buffered Operations Yes Debouncing/Glitch Removal Yes GPS Synchronization No Maximum Range 0V,5V Max Source Frequency 100 MHz Pulse Generation Yes Resolution 32 bits Timebase Stability 50 ppm Logic Levels TTL LabVIEW-7.1 EA-2/11

12 Physical Specifications Length 16.8 cm Width 50 mm Height 9.9 cm I/O Connector 68-pin VHDCI female Timing/Triggering/Synchronization Triggering Digital, Analog Synchronization Bus (RTSI) Yes LabVIEW-7.1 EA-2/12

13 A mintavételezési kártya I A mérési adatbeolvasás típusa A mért érték a nulla potenciálhoz viszonyított abszolút eltérés A mért érték a két pont potenciál különbsége, relatív érték A mérési határ - a maximális és minimális feszültség szintek, amelyek között az ADC (ADC = Analog to Digital Converter) a jel átalakítását, digitalizálását végzi. - A mérés-adatgyűjtő kártyák változtatható méréshatárai tipikusan +/-10 V, +/-5 V értékhez tartanak, - ezeken belül adjuk meg azokat a mérés határokat, amelyekkel adott felbontás mellett a legpontosabban mérhetjük meg a jelet. LabVIEW-7.1 EA-2/13

14 A mintavételezési kártya II Resolution (felbontás, pontosság) A bitek száma amelyet a mérés-adatgyűjtő analóg/digitális átalakító (ADC = Analog to Digital Converter) használ, hogy az analóg jelet ábrázolja. pl. 3 bites ADC a mérési határt digitalizálja, azaz 23=8 részre osztja, a 8 bite felbontású kártya a méréshatárt 28=256 részre osztja, a 12 bite felbontású kártya a méréshatárt 212=4096 részre osztja. 1. Példa, Mekkora az a legkisebb feszültés érték, amelyet még mérni lehet egy 4 bites AD kártyával, ha a méréshatár -10V-tól +10 V-ig terjed. Megoldás, A 4 bites AD kártya a 20 V mérési tartományt 2 4=16 részre osztja, tehát a legkisebb mérhető feszültség DU=20/16=1,25 V. 2. Példa, Egy 6 bites AD kártyával mekkora %-os relatív pontosság érhető el. Megoldás, A 6 bites kártya felbontása 26=64, azaz a 1/64*100=1,5625 %-os pontosság érhető el. LabVIEW-7.1 EA-2/14

15 A mintavételezési kártya III Gain (Erősítés)) Az erősítés alkalmazásával lecsökkenthető az ADC bemeneti mérési határa, ezzel biztosítható, hogy az ADC a lehető legtöbb digitális osztást alkalmazza a jel ábrázolásához. Például, 3 bites ADC esetén ha a mérési határok 0 és +10 Volt, akkor erősítés nélkül, egyszeres erősítéssel az ADC csak négy osztást használ a nyolc lehetségesből. Digitalizálás előtt felerősítve a jelet kétszeres erősítéssel az ADC használni tudja mind a nyolc osztást, a digitális ábrázolás sokkal pontosabb. Ebben az esetben a kártya tényleges bemeneti méréshatára 0 és +5 Volt lettek, mivel bármilyen +5 Volt-nál nagyobb jel kétszeres erősítéssel az ADC bemenetén +10 Volt-nál nagyobb jelet eredményez. Az erősítés mértéke általában 0,5; 1.0; 10; 100. LabVIEW-7.1 EA-2/15

16 A mintavételezési kártya IV Gain (Erősítés) A DAQ kártyán lehetséges mérési határok, a felbontás és az erősítés meghatározzák a legkisebb érzékelhető bemeneti feszültség nagyságát. mérési határok különbsége U min = erösités 2 felbontás ( bitekben ) Példa, 12 bites DAQ kártya, 0-tól +10 V méréshatárral egyszeres erősítéssel 10/4096=0,0024 V=2,4 mv változást még érzékel, kétszeres erősítéssel 1,2 mv a legkisebb érzékelt változás. Példa 12 bites DAQ kártya +/-10V méréshatárral kétszeres erősítéssel 20/(2*4096)= 0,0048 V változást érzékel. Példa, 12 bites kártya 0-10V méréshatárral, 10 szeres erősítéssel 10/ (10*4096)=0, V=0,244 mv legkisebb változást tud érzékelni. LabVIEW-7.1 EA-2/16

17 A mintavételezési kártya V Sampling rate (a mintavételezés sebessége, a mintavételezés frekvenciája) A mintavételezés sebessége=az analóg-digitális átalakítás ADConverzió gyakorisága, fs. Jól mintavételezett jel Rosszul mintavételezett jel A Nyquist-féle mintavételezési elv szerint a bejövő jelből a teljes visszaállíthatósághoz olyan fs frekvenciával kell mintát venni, amely (minimálisan) kétszer nagyobb, mint a bejövő jel legmagasabb frekvenciájú komponense, azaz a periódikus jel periódusidejéhez tartozó 1/Tp=fp </= fs/2 Példa, Tp=25 ms periódusidejű jelből milyen fs mintavételezési frekvenciával kell mintát venni, hogy rekonstruálható legyen. Megoldás, fp=1/tp=40 Hz, ezért fs>/=80 Hz. LabVIEW-7.1 EA-2/17

18 Gyakorlaton használt csatlakozó felület (68LP) LabVIEW-7.1 EA-2/18

19 A 'Built in' mintavételezési kártya csatlakozási pontjai page 32 LabVIEW-7.1 EA-2/19

20 egyéb csatlakozó felületek (BNC, példák) NI BNC-2110 (standard, differencial) NI BNC-2090A NI BNC-2111 (standard, single ended) LabVIEW-7.1 EA-2/20

21 Számítógéppel vezérelt mérések - adatkezelés: gyűjtés, tömörítés, egyszerűsítés, kiértékelés, tárolás, - műszerek, egyéb perifériák, folyamatok vezérlése, - mérési folyamat fejlesztés, - dokumentálás. LabVIEW-7.1 EA-2/21

22 Számítógépes (PC alapú) mérőrendszer feladatait ellátó software háttér LabVIEW-7.1 EA-2/22

23 Adatfeldolgozás a számítógépes mérőrendszerben LabVIEW-7.1 EA-2/23

24 A PC alapú mérőrendszerek struktúrája A mérőberendezések és a PC funkcionális szervezését, a mérőpark elrendezését az adott mérési feladat szabja meg. A legegyszerűbb mérőpark struktúra az 1 PC-ből és 1 műszerből álló rendszer, a kettő között egy szabványos protokoll szerint, pl. RS232, történik az adattovábbítás. Az ilyen elrendezésű mérőpark, különösen soros kommunikáció esetén igen korlátozott formában alkalmas realtime feladatok ellátására. ( PC és a műszer közötti kommunikáció lefoglalja a rendszert). LabVIEW-7.1 EA-2/24

25 Több műszer csatlakoztatása PC-hez A PC és a műszerek között a kommunikáció szabványos protokoll szerint történik, pl. IEEE488, és a PC egy a protokollt támogató egységgel van ellátva. Ez az elrendezés bizonyos mértékig flexibilis, új műszerek könnyen, és egyszerűen illeszthetőek a rendszerhez. LabVIEW-7.1 EA-2/25

26 Több műszer csatlakoztatása PC-hez A rendszer működési sebessége a műszerek számának növekedésével elérhet egy olyan igényszintet, amelyet a PC már nem tud teljesíteni, ezért ilyen esetben a sebesség növelésének az egyik módja az lehet, hogy a mérőparkba további PC-ket kapcsolunk be. Ezzel az egy PC-re jutó műszerszám csökken, a vezérlésre több idő jut. A PC-k kommunikációja osztott csatornán (shared communication channel) történik A kommunikációs csatorna egy másik formája lehet ennél az elrendezésnél az un. LAN (Local Area Network). Ezen keresztül a processzorok közötti kommunikáció általában lassabb, mivel a rendszernek illeszkednie kell a LAN szabványos kommunikációjához is, LabVIEW-7.1 EA-2/26

27 Supervisor PC egyes PC-k egymás közötti kapcsolatának koordinálása. műszerek nem kapcsolódnak hozzá, feladata a PC-k munkájának az irányítása. Ezt un. master-slave elrendezésnek hívják LabVIEW-7.1 EA-2/27

28 Supervisor PC A supervisor PC folyamatosan felügyeli a rendszer működését A rendszer rugalmassága nő, könnyen átkonfigurálhatóak a mérőberendezések, új mérési folyamatok fejlesztése és installálása elvégezhető Meghibásodás esetén a supervisor PC átveheti a meghibásodott PC feladatát Többfelhasználós rendszer alakítható ki, ami azt jelenti, hogy az egyes szabad kapacitással rendelkező slave PC-k a folyamattól független külső feladatokat is elláthatnak (time sharing) LabVIEW-7.1 EA-2/28

29 Mérőrendszerekben alkalmazott adattovábbítási módszerek A PC alapú mérőrendszerekben 3 különböző módon végezhetjük az adatok mozgatását: - program vezérelt - megszakítás (interrupt) vezérelt -közvetlen memória elérés (DMA - direct memory acces) vezérelt A relatív sebesség a rendszer adatátviteli sebességére, a vezérelhetőség a CPU kihasználására utal. LabVIEW-7.1 EA-2/29

30 Mérőrendszerekben alkalmazott adattovábbítási módszerek A magas szintű vezérelhetőség azt mutatja, hogy a CPU a folyamat minden egyes lépése felett kontrollal rendelkezik, a vezérlő utasítások szigorúan meghatározott sorrendjét hajtja végre. Az alacsony vezérelhetőség azt jelenti, hogy a CPU kiadja a vezérlést más egységnek, így az kevésbé, vagy egyáltalán nem vesz részt az adattovábbítás irányításában. A táblázatból látható, hogy a sebesség növelésével a rendszer vezérelhetősége csökken, és fordítva. Ezért mindig az adott mérési feladat dönti el, hogy az egyes esetekben melyik módszer alkalmazása ad hatékonyabb működést. LabVIEW-7.1 EA-2/30

31 Programvezérelt adattovábbítás A processzor ebben az esetben mindig kézben tartja a folyamat vezérlését. meghatározott utasítássort követve kezeli a perifériákat, vezérli az adatgyűjtést, az adatmozgatást, adattárolást, és feldolgozást. Például programból vezéreljük, hogy várjon a processzor, amíg a mintavételezés folyamatban van LabVIEW-7.1 EA-2/31

32 Megszakítás vezérelt adattovábbítás Minden periféria rendelkezik egy a felhasználó által meghatározott megszakítás szinttel (interrupt - IRQ -level). Ami-kor egy periféria szóhoz akar jutni, akkor egy megszakítás kérést továbbít a prioritás kódoló felé. A processzor ekkor felfüggeszti az éppen futó műveletet, és engedélyezi az adott perifériának az adatközlést. Amikor az adatközlés befejeződött, a CPU folytatja a munkáját ott, ahol azt a megszakítás előtt abbahagyta. Több megszakítás kérés esetén az a periféria kap először lehetőséget az adatközlésre, amelyiknek az IRQ szintje magasabb. Így a magasabb prioritású periféria félbeszakíthatja egy alacsonyabb prioritású periféria éppen folyamatban lévő műveletét is. LabVIEW-7.1 EA-2/32

33 DMA vezérelt adattovábbítás Ez a leggyorsabb adattovábbítási módszer, ugyanakkor ennél a módszernél a vezérlés szinte teljes egészében kikerül a CPU kezéből. A vezérlést (I/O műveletek kezelését) ilyenkor a processzortól egy külön áramkör, az un. közvetlen memória elérésű vezérlő (DMA - direct memory access - controller) veszi át. LabVIEW-7.1 EA-2/33

34 A mintavételezési kártya méréshatárának beállítása I LabVIEW-7.1 EA-2/34

35 A mintavételezési kártya méréshatárának beállítása II LabVIEW-7.1 EA-2/35

36 National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Anlog In/ LabVIEW-7.1 EA-2/36

40 Analóg adatbeolvasás, Blokk diagram (2a) LabVIEW-7.1 EA-2/40

41 Analóg adatbeolvasás DAQmx Create Virtual Chanel.vi LabVIEW-7.1 EA-2/41

42 Analóg adatbeolvasás DAQmx Timing.vi LabVIEW-7.1 EA-2/42

43 Analóg adatbeolvasás DAQmx Start Task.vi LabVIEW-7.1 EA-2/43

44 Analóg adatbeolvasás DAQmx Read.vi LabVIEW-7.1 EA-2/44

45 Analóg adatbeolvasás DAQmx Clear.vi LabVIEW-7.1 EA-2/45

46 Analóg adatbeolvasás Simple Error Handler.vi LabVIEW-7.1 EA-2/46

47 Analóg adatbeolvasás, Front panel LabVIEW-7.1 EA-2/47

48 A válasz jelek rögzítése I, tömb feltöltése (2b) LabVIEW-7.1 EA-2/48

49 A válasz jelek rögzítése II, maximális érték LabVIEW-7.1 EA-2/49

50 A válasz jelek rögzítése III, adatsor file-ba mentése LabVIEW-7.1 EA-2/50

51 Válasz jelek a front panelen LabVIEW-7.1 EA-2/51

52 Virtuális gerjesztő jel előállításának grafikus programja mérés LabVIEW-7.1 EA-2/52

53 A középértékek összehasonlítása LabVIEW-7.1 EA-2/53

54 Az ellenállás mérés programja "Block Diagram" LabVIEW-7.1 EA-2/54

55 Az ellenállás mérés programja Front Panel" LabVIEW-7.1 EA-2/55

56 Az ellenállás mérés megvalósítása C A B LabVIEW-7.1 EA-2/56

57 Az ellenállás mérés megvalósítása LabVIEW-7.1 EA-2/57

58 Az ellenállás mérés megvalósítása Ux Un LabVIEW-7.1 EA-2/58

59 Az ellenállás mérésmegvalósítása,a 'Built in' mérőkártya bekötése LabVIEW-7.1 EA-2/59

60 A 2. villamos mérés feladatai (LV7-1) 1. feladat, Tekintse át a mérésben szereplő elektronikus áramkört, csatlakoztassa mérési pontjait az adatgyűjtő kártyára. Ellenőrizze a csatornák méréshatárait, valamint a program analog input moduljainak beállításait. 2. feladat, Építse meg az 1D jelgenerátort, és határozza meg a jel abszolút középértéke alapján a mintavételezés adatait. 3. feladat, Változatlan gerjesztés mellett változtassa az Rx ellenállás értékét és vegye fel a beállítható tartomány 10 különböző mérési pontja alapján az Rx ismeretlen ellenállás Ux(i) feszültség-áram karakterisztikáját és ábrázolja lineáris-lineáris grafikonon. 4. feladat, Az előző feladat adatsora alapján, lineáris-lineáris grafikonon ábrázolja az Ux(Rx) kapcsolatot, azaz az ellenállás Ux feszültségét az Rx ellenállás függvényében. 5. feladat: Az Rx ellenállás valamely értéke mellett határozza meg a mért Ux feszültség amplitúdóra normalizált abszolút értékét. Csatolja a programrészlet diagramjának képét is, amellyel a feladatot megoldotta. Hasonlítsa össze a virtuális jelgenerátorral kapott értékkel! Hozzon floppy lemezt/usb flash pendrive-ot az adatsorok, grafikonok mentéséhez! Készítsen jegyzőkönyvet az oktató által kiválasztott mérésről! LabVIEW-7.1 EA-2/60

61 Irodalom 1. Szakonyi L. Jelek és Rendszerek I. Pécsi Tudományegyetem, Szakonyi L. Jelek és Rendszerek, II. Pécsi Tudományegyetem, Fodor Gy. Jelek és Rendszerek Műegyetemi Kiadó, Schnell L. Jelek és Rendszerek Méréstechnikája Műegyetemi Kiadó, LabVIEW-7.1 EA-2/61

62 Az ellenállás mérés eredményei A mért feszültség és a számított áram kapcsolata A mért feszültség és a számított ellenállás kapcsolata LabVIEW-7.1 EA-2/62