Mintavételezés, jelgenerálás

Átírás

1 Mintavételezés, jelgenerálás Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás előadás Schiffer Ádám, egyetemi adjunktus LabVIEW-7.1 EA-1/1

2 A mintavételezési paraméterek beállítása f =1/T p, T p /n s / p =T, f s=1/t, f s = f n s / p, n s/ p n p =nb, 1. Példa, Egy T p =20 ms periódusidejű analóg jelből T s =10 ns időközönként veszünk mintákat. Adja meg a mintavételezési frekvenciát. Megoldás, f s= = =10 Hz=100 MHz. T s Példa A T p =20 ms periódusidejű analóg jelből f s =100 khz mintavételezési frekvenciával veszünk mintákat. Hány mintát veszünk periódusonként? Megoldás, ns / p = Tp T =T p f s =2000 minta. LabVIEW-7.1 EA-1/2

3 f = 1 Tp, Tp n s / p = T, fs = 1 Ts, fs = f ns / p, n s / p n p = nb, 3. Példa Egy f = 20 Hz frekvenciájú, periodikus analóg jelből fs = 5 khz mintavételezési frekvenciával veszünk mintákat. Adja meg a mintavételezési időt. Megoldás, 4. T= 1 1 = = 0, = 0,2 ms fs Példa Egy f = 25 Hz periódusidejű analóg jelből fs = 2kHz mintavételezési frekvenciával veszünk mintákat. Hány mintát veszünk, ha két periódust vizsgálunk. Tp fs n = = = 80 minta Megoldás, s/p T f LabVIEW-7.1 EA-1/3

4 f = 1 Tp, Tp n s / p = T, fs = 1 Ts, fs = f ns / p, n s / p n p = nb, 5. Példa Egy Tp = 6 ms periódusidejű analóg jelből T = 30 ns időközönként veszünk mintákat. Egy periódus beolvasásához mekkora tárterületre, "buffer size", van szükség. Megoldás, nb = 6. Tp T = s = 2 105, Példa Mekkora annak az analóg jelnek a Tp periódus ideje, amelyből T = 5µs mintavételezési idő mellett 100 mintát veszünk. Megoldás, Tp = n s / p T = = 0,5 ms LabVIEW-7.1 EA-1/4

5 A mintavételezett jel középértékei x ed = 1 n s/ p n s/ p -1 x[k ], k =0 x abs d = 1 ns / p n s/ p -1 x [ k ], k =0 x eff d = 1 n s/ p n s / p -1 x [ k ]2, k =0 1. Példa Egy n=6 mintából álló diszkrét idejű jelsorozat értékei x [ k ] ={ 1, 1. 2, 1.8, 2. 4, 2. 2, 1.9 }. Határozza meg a jelsorozat középértékeit. Megoldás, A jelsorozat egyszerű középértéke x ed = 1 n s / p -1 n s/ p k =0 1 x [ k ]= 1 1,2 1,8 2,4 2,2 1,9 =1,7500, 6 A jelsorozat abszolút középértéke megegyezik az egyszerű középpel, minthogy a jelsorozat minden eleme pozitív. A jelsorozat négyzetes középértéke x eff d = 1 n s/ p n s / p -1 k =0 x [ k ]2 = ,22 1,82 2,4 2 2,22 1,92 =1,8207, 6 LabVIEW-7.1 EA-1/5

6 2. Példa Egy n=6 mintából álló diszkrét idejű jelsorozat értékei x [ k ] ={ 1 ; -1,2 ; -1,8 ; 2,4 ; - 2,2 ;1,9 }. Határozza meg a jelsorozat középértékeit. Megoldás, A jelsorozat egyszerű középértéke x ed = n s / p -1 1 n s/ p k =0 1 x [ k ]= 1 1,2 1,8 2,4 2,2 1,9 =0,0167, 6 A jelsorozat abszolút középértéke x abs d = n s / p -1 1 ns / p 1 x [ k ] = 6 1 1,2 1,8 2,4 2,2 1,9 = 1,7500, k =0 A jelsorozat négyzetes középértéke x eff d = = 1 ns / p n s / p -1 x [ k ]2 k = ,2 1,8 2,4 2,2 2 1,9 2 =1,8207, 6 LabVIEW-7.1 EA-1/6

7 3. Példa Egy n=4 mintából álló diszkrét idejű jelsorozat értékei Határozza meg a jelsorozat középértékeit. x [ k ] ={ 1 ; - 2 ; - 4 ;3 ; } Megoldás, A jelsorozat egyszerű középértéke x ed = n s/ p -1 1 n s/ p k =0 1 x [ k ]= = 3 /4, 4 A jelsorozat abszolút középértéke x abs d = 1 ns / p n s / p -1 1 x [ k ] = = 2,5, k =0 A jelsorozat négyzetes középértéke x eff d = = 1 ns / p n s / p -1 x [ k ]2 k = = 30=5, 4772, 4 LabVIEW-7.1 EA-1/7

8 A/D átalakítók Mintavételezésnek nevezzük, ha egy folyamatos analóg jelből egy adott t 0 időpillanatban vagy meghatározott időközönként (T s) mintát veszünk. A mintavételezés lehet egyenletes (periodikus), vagy nem egyenletes. A továbbiakban az egyenletes mintavételezés elvi és gyakorlati kérdéseivel foglalkozunk. s LabVIEW-7.1 EA-1/8

9 A/D átalakítók Egy jelből olyan gyakorisággal kell mintát venni, hogy az eredeti jel reprodukálható legyen. A Nyquist - Shannon mintavételi törvénye értelmében a mintavételi frekvenciát úgy kell megválasztani, hogy az nagyobb legyen, mint a mintavételezett analóg jel legnagyobb frekvenciájú összetevőjének a kétszerese. f s 2f max LabVIEW-7.1 EA-1/9

10 A/D átalakítók Szükségszerűen a mintavételezett jelet digitalizálni kell. A minták függőleges tartományokba sorolását kvantálásnak nevezzük. Egy tartomány szélessége a kvantum (Q). A kvantumok száma meghatározza az átalakító kvantálási pontosságát. A kvantumok számát 2 hatványaként adják meg. Így például egy 8 bites átalakító azt jelenti, hogy a kvantumok száma 2 8., azaz 256. A méréstechnikában legelterjedtebb átalakítók 12 és 16 bitesek. Ezek az analóg jelet 4096, ill kvantumba osztják. LabVIEW-7.1 EA-1/10

11 A/D átalakítók jellemzői A bemeneti jel tartománya lehet unipoláris vagy bipoláris. Az összes kvantumhoz tartozó maximális feszültség bemenet: FS (full scale) = 2N kvantum, vagyis uniploáris esetben: 0 - Umax bipoláris esetben ±Umax/2. Az egy kvantumhoz tartozó feszültég érteket a legkisebb helyértékű bit alapján határoz-hatjuk meg: LSB (least significant bit): FS/2N LabVIEW-7.1 EA-1/11

12 A/D átalakítók jellemzői LSB Least Significant Bit (kvantum) MSB Most Significant Bit FS Full Scale LabVIEW-7.1 EA-1/12

13 apertúra idő A mintavételezés frekvenciáját, mint láttuk, egyrészt meghatározza a mintavételezett jel frekvenciája, másrészt felülről korlátozza az átalakítás ideje. Azt az időt, amely egy minta vételezéséhez és digitalizáláshoz szükséges, apertúra időnek nevezzük. Az apertúra idő meghatározza az átalakító maximális mintavételi frekvenciáját. LabVIEW-7.1 EA-1/13

14 A/D átalakítás hibái Offset hiba (javítható) Linearitási hiba (nem javítható) erősítési hiba (javítható) Kódkiesés (nem javítható) LabVIEW-7.1 EA-1/14

15 kvantálási hiba Abszolút kvantálási hiba: U LSB 1 H Q =± Q= 2 2 Relatív kvantálási hiba: h Q= HQ Ux 100 LabVIEW-7.1 EA-1/15

16 kvantálási hiba - példa Legyen egy 12 bites átalakító maximális bementi feszültsége 10V. UFS = 10V ULSB = 10/212=10/4096 = 2,44mV UMSB = 10/2 =5V Mekkora a kvantálás hibája, ha ezzel az átalakítóval 8V-ot mérünk? HQ= ±2,44mV/2= ±1,22mV hq=(1, V/ 8 V) 100% = ±0,015% teljes skálára (FS full scale) hq,fs=(1, V/ 10 V) 100% = ±0,0122% Mekkora a kvantálás hibája, ha ezzel az átalakítóval 50mV-ot mérünk? hq=(1, V/ 0,05 V) 100% = ±2,44% Legyen egy 16 bites átalakító HQ= ULSB /2=(10/65536)/2= ±76μV hq,fs=( V/ 10 V) 100% = ±7,6 10-4% 50mV-ot mérve hq= ( V/ 0,05 V) 100% = ±0,152% LabVIEW-7.1 EA-1/16

17 kvantálás és dinamika zajos jelek esetén a túl kicsire választott Q kvantum érzékelhetően viszi át a zajt a digitális jelre, túl nagy Q kvantum pedig kvantálási zaj formájában növeli meg a zajt. optimális esetben a digitális jel zaja ± kvantum példa OP=1 (1 osztálypontosságú, végkitérés 1%-nál nem nagyobb hibával mérő) analóg műszer esetén a kvantálást min 7 bites kvantálóval kell elvégezni, mivel 100%/128 =0,7812< 1% kvantálási zaj: maimálisan a kvantum fele így az 1% hibával mérő analóg műszernél a kvantálást követően fellép 100/256=0,39% kvantálási zaj is. vagyis, kedvezőtlen esetben a mért érték a valódi értékhez képest 1,4% is lehet LabVIEW-7.1 EA-1/17

18 jel- zajviszony a diszkrét szintek kiindulásánál sokszor a jel-zajviszonyt adják meg. az előző esetben 1,4/100 = 1,4 db-ben ez megfelel: 20 lg 1,4 = 2,92 db példa: a 65 db-es jel-zajviszonynak 20 lg x >65, vagyis x > 1780 szintű digitális jel tesz eleget. Így 11 bites digitalizáló szükséges. LabVIEW-7.1 EA-1/18

19 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-1/19

20 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-1/20

21 Számítógéppel vezérelt mérések - adatkezelés: gyűjtés, tömörítés, egyszerűsítés, kiértékelés, tárolás, - műszerek, egyéb perifériák, folyamatok vezérlése, - mérési folyamat fejlesztés, - dokumentálás. LabVIEW-7.1 EA-1/21

22 Számítógépes (PC alapú) mérőrendszer feladatait ellátó software háttér LabVIEW-7.1 EA-1/22

23 Soros jelátvitel szabványos protokoll: RS232, RS422, RS485 Az RS232, és továbbfejlesztett változatai, főként az RS485, a gyakorlatban széles körben alkalmazott protokoll, gazdaságos megoldást nyújt olyan esetekben, amikor a feladat nem követel nagy működési sebességet. protokoll: lásd Számítógép architektúrák II Az RS232 szabványt a rendszerigények növekedésével továbbfejlesztették. Az RS422 már differenciál jelátvitelt tesz lehetővé, ahol nincs földátvitel, az adó és a vevő külön földre van kötve. LabVIEW-7.1 EA-1/23

24 RS422, RS485 Az RS 422 alapvető jellemzői: maximális sebesség: 10Mbps (10m-re) maximális kábelhossz: 1200m (100kbps) adók száma: 1 vevők száma max.: 10 Az RS 485 szabvány szerint kétirányú kommunikáció (halfduplex) valósítható meg, amelyben már a vevők száma 32-re emelhető. A maximális sebesség 35Mbps-ra növekedett. LabVIEW-7.1 EA-1/24

25 Párhuzamos jelátvitel szabványos protokoll: IEEE488 (GPIB) párhouzamos adatátvitel Ezzel a rendszerrel a jelátviteli sebesség jelentősen növelhető, viszont nagy távolságokra nehéz gazdaságosan alkalmazni ezt a módszert. Az IEEE488, és változatai a legelterjedtebb párhuzamos kommunikációs protokoll, ame-lyet 1972-ben a Hewlett Packard Corporation fejlesztett ki és jelentetett meg GPIB (General Purpose Interface Bus) elnevezéssel, majd 1975-ben szabványosították (IEEE488). A GPIB hálózatorientált rendszer, amely nagy átviteli sebességet és nagyszámú műszerparkot tesz lehetővé. A rendszerbe kapcsolható berendezéseket 3 kategóriába sorolhatjuk: vevő (listener) adó (talker) vezérlő (controller). LabVIEW-7.1 EA-1/25

26 GPIB A vezérlő nem kizárólag, de legtöbbször egy PC, amely figyeli a hálózatot, és kérésre összekapcsolja az adót és a vevőt ha szükséges, un. party-line kapcsolatot hoz létre, amelyben 1 adótól több vevő is kap adatot egyszerre. A GPIB half-duplex kommunikációt tesz lehetővé. LabVIEW-7.1 EA-1/26

27 GPIB A párhuzamos kommunikációnak köszönhetően a rendszerrel 1 Mbyte/s sebesség érhető el, de emellett ennek a rendszernek is meg vannak a maga korlátai: - 2 berendezés közötti távolság max.: 4 m - 2 berendezés közötti átlagtávolság: 2 m - a berendezések közötti össztávolság: 20 m - legalább a műszerek 2/3-a be kell legyen kapcsolva. A National Instruments cég továbbfejlesztette a GPIB-t. Az új szabvány 2003ban jelent meg IEEE néven, ami a IEEE verzióval kompatibilis, de attól 8-szor gyorsabb (maximális adatátviteli sebessége 8 Mbyte/s). LabVIEW-7.1 EA-1/27

28 GPIB PÉLDA L-listener; T-talker; D-kimarad a kommunikációból L* - vezérlés szempontjából listener. LabVIEW-7.1 EA-1/28

29 GPIB LINEÁRIS MŰSZERELRENDEZÉS Lineáris műszer elrendezésben a vezérlőhöz (pl. PC) egy műszer csatlakozik ( A berendezés) a vezérlőhöz csatlakozó berendezés aljzatához kapcsolódik a B berendezés vezetéke, majd ahhoz a következő. Ezzel az elrendezéssel lehet a vezérlőtől a legnagyobb távolságra elhelyezni egy adott műszert. 10 műszeres rendszer esetén, a 2 m-es átlagtávolságot figyelembe véve 20 m távolságra helyezhető el a 10. műszer a vezérlő PC-től. Vezérlés szempontjából azonban figyelembe kell venni, hogy egy műszer elérési sebessége a vezérlőtől való távolságtól is függ. LabVIEW-7.1 EA-1/29

30 GPIB CSILLAG MŰSZERELRENDEZÉS Csillag elrendezésben minden műszer a vezérlőhöz csatlakozik közvetlenül, vagyis a vezérlőtől a maximális műszertávolság 4 m lehet. Ebben az elrendezésben minden műszer azonos elérési sebességgel vezérelhető. LabVIEW-7.1 EA-1/30

31 VXI (VMEbus extensions for Instrumentation, IEEE1155/1993) cél, hogy javítsák a GPIB-hez képest a modul-kártyákból összekombinált mérőeszközök időzítési és szinkronizációs jellemzőit. Mára a műszerezés legdinamikusabban fejlődő ágává vált, VXI rendszer lehetséges konfigurációi: PC GPIB interfészen keresztül kommunikál a VXI-kerettel, a fordítás a VXI-kereten belül történik VXI Word Serial Protocol-lal A számítógép a VXI-keretben van elhelyezve, hasonlóan az általa irányított kártyákhoz PC High Speed MXIbus linken (lásd később) keresztül kommunikál a VXI-kerettel LabVIEW-7.1 EA-1/31

32 VXIbus alapjai VME busz (VERSAmodule Eurocard, 1981, IEEE ) Célja egy nyitott, mikroprocesszortól független, robusztus számítógépes buszszabvány kialakítása. Alapját VERSAbus elektronikai specifikációi és az Eurocard formátum képezi. A VMEbus elsősorban számítógép rendszerek számára lett kifejlesztve, műszerezéshez korlátozott lehetőségeket nyújt. A VMEbus modulok kb 15cm (6 inch) széles, 11 (4 inch) vagy 23cm (9 inch) magas modulok ( A és B méret), a pontos méreteket az Eurocard szabvány határozza meg. LabVIEW-7.1 EA-1/32

33 VXIbus jellemzői Mester-szolga architektúra (több mester is lehet a buszon) Aszinkron működés (nincs órajel) Változtatható sebességű kézfogásos protokoll 16-tól 32 bitesig változtatható címzési rendszer 8-tól 32 bitesig változtatható adatbusz 40 MB/s adatátviteli sebesség megszakítás lehetőségek akár 21 eszköz is csatlakoztatható a buszra LabVIEW-7.1 EA-1/33

34 VXIbus jellemzői A VXIbus a VMEbus bővítésével jött létre, és modulrendszerű kártyaműszerek (instruments on a card) alkalmazását teszi lehetővé. Ez egy nyitott rendszer, különböző gyártók műszerei, interfaceek, számítógépei teljesen kompatibilis modulokban építhetők egybe ugyanazon kártyabővítő keretbe (card chassis). Amíg a GPIB egy kommunikációs szabvány, a VXIbus egy rendszer szabvány. LabVIEW-7.1 EA-1/34

35 VXIbus architektúrája A VXIbus rendszer 5 elemből épülhet fel: rendszer alrendszer műszer modul csatlakozó. A rendszer lehet egy kis, néhány műszert tartalmazó hordozható egység, vagy egy több-keretes nagy rendszer. A rendszerbe beépíthető egy vagy több (max. 13 modul) alendszer egy központi órajel modullal ellátva. A VXIbus műszer általában egy kiegészítő kártyára épített egység, amely magába foglal-hat CPU-t, interfaceket, digitál I/O-kat vagy a legkülönfélébb kártyára épített műszereket, mint A/D, számláló, jelgenerátor, logikai analizátor, stb. A modul alatt tipikusan egy kártyaösszeállítást értünk. A VXIbus specifikáció meghatározza a 3 csatlakozó kiosztását is, amely a rendszerbe foglalt műszerek közötti kapcsolatot teremti meg. LabVIEW-7.1 EA-1/35

36 VXI rendszer különböző konfiguráció lehetőségei LabVIEW-7.1 EA-1/36

37 PXI (PCI extensions for Instrumentation, nyílt ipari specifikáció, 1997) A National Instruments, PXI System Alliance hozta létre. A PXI célja a mérőrendszerek és a PC-k nagyobb fokú integrációjának elérése, hogy a PC-k rohamos fejlődése közvetlen hatással legyen a méréstechnika minőségi jellemzőire és áraira is Alapja a CompactPCI specifikáció (mely a PCI buszrendszert házasította össze az Eurocard robusztus rendszerével), elektronikai, mechanikai és szoftver kiegészítésekkel. LabVIEW-7.1 EA-1/37

38 PXI (PCI extensions for Instrumentation, nyílt ipari specifikáció, 1997) NI PXI-8108 controller 2.53 GHz Intel Core 2 Duo T9400 LabVIEW-7.1 EA-1/38

39 MXI busz (Multisystem extention Interface Bus) MXI-1 busz: GPIB eszköz és VXI-keret kommunikációja MXI-2 busz: VXI és PXI eszközök kommunikációja MXI-3 busz: PXI-PXI vagy PC-PXI, tulajdonképpen egy PCIPCI híd (bridge), mely soros kommunikációt használ réz vagy optikai kábelen MXI-4 busz: PC és PXI eszköz kommunikációja LabVIEW-7.1 EA-1/39

40 MXI busz (Multisystem extention Interface Bus) Az MXI busz a VME ill. VXI rendszerekhez lett kifejlesztve. Ez a VME busztól származó rendszer, rugalmas kábelen teszi lehetővé, hogy a különböző műszer-keretek akár 20 méter távolságról egymással kommunikáljanak. Fontos jellemzője, hogy az így összekapcsolt eszközök képesek olvasási és írási műveleteket végezni egymás regisztereibe, a kommunikációt hardverszinten valósítják meg. LabVIEW-7.1 EA-1/40

41 USB (Universal Serial Bus) Az USB-t egy szabványosított interfésznek tervezték, amin keresztül könnyedén lehet eszközöket kapcsolni a számítógéphez annak újraindítása nélkül. Az USB így nem csak adatok szállítására alkalmas, hanem árammal is elláthatja azokat az eszközöket, amelyek áramfelvétele nem nagyobb 500mA-nél. Különböző elosztok (HUB) segítségével egy USB kapura akár 127 egységet is csatlakoztathatunk. USB által támogatott adatátviteli sebességek: Alacsony sebesség Low Speed (1.1, 2.0 verziónál): 1,5 Mbps (192 KB/s) Teljes Sebesség Full Speed (1.1, 2.0 verziónál): 12 Mbit (1,5 MB/s), Megemelt sebesség Hi-Speed (2.0 verziónál): 480 Mbps (60 MB/s) LabVIEW-7.1 EA-1/41

42 USB (Universal Serial Bus) LabVIEW-7.1 EA-1/42

43 FireWire (IEEE 1394) A szabványt az Apple alkotta meg 1995-ben. Az USB -hez hasonló, kevésbé elterjedt, nagy sebességű soros kommunikáció szabvány. Maximálisan 63 berendezést lehet hozzácsatlakoztatni és az USB-hez hasonlóan ez is elláthatja árammal a berendezést. FireWire 400 (IEEE 1394a): 100, 200, or 400 Mbps FireWire 800 (IEEE 1394b): maximum 800 Mbps FireWire csatlakozótípusok NI DAQPad-6052E FireWire-al LabVIEW-7.1 EA-1/43

44 Ethernet Manapság használatos helyi hálózati technológia. Eredeti verziója mintegy 10MB/s körü-li adatátviteli sebességet tett lehetővé, de megjelent azóta Fast Ethernet (100MB/s) és Gigabit Ethernet technológiák (1000MB/s). Az Ethernet átviteli közegként koaxiális kábel, sodort érpár és optikai kábel egyaránt használható. Az Ethernet hálózatok busz és csillagtipológia mentén kialakíthatók. LabVIEW-7.1 EA-1/44

45 Folytonos idejű jelek diszkrét idejű mérése A mintavételezési kártya, Built in LabVIEW-7.1 EA-1/45

46 Adatfeldolgozás a számítógépes mérőrendszerben LabVIEW-7.1 EA-1/46

47 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-1/47

48 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-1/48

49 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-1/49

50 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-1/50

51 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-1/51

52 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-1/52

53 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-1/53

54 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-1/54

55 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-1/55

56 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-1/56

57 A mintavételezési kártya méréshatárának beállítása I LabVIEW-7.1 EA-1/57

58 A mintavételezési kártya méréshatárának beállítása II LabVIEW-7.1 EA-1/58

59 National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Anlog In/ LabVIEW-7.1 EA-1/59

60 National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Anlog In/ LabVIEW-7.1 EA-1/60

61 National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Anlog In/ LabVIEW-7.1 EA-1/61

62 National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Anlog In/ LabVIEW-7.1 EA-1/62

63 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-1/63

64 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-1/64

65 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-1/65

66 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-1/66

67 page 32 LabVIEW-7.1 EA-1/67 A 'Built in' mintavételezési kártya csatlakozási pontjai

68 Csatlakozó felület LabVIEW-7.1 EA-1/68

69 A mintavételezési kártya-(built in) fs=200 khz LabVIEW-7.1 EA-1/69

70 Ellenőrző kérdések Egy f=200 Hz frekvenciájú, periodikus analóg jelből fs = 1MHz mintavételezési frekvenciával veszünk mintákat. Hány mintát veszünk periódusonként? Mekkora a mintavételezési idő? Ha [-10V..+10V] mérési tartományban mintavételezünk egy 24 bites A/D kártyával, mekkora a kvantum értéke? (Q) Mi a supervisor PC feladata? LabVIEW-7.1 EA-1/70