Jelgenerálás virtuális eszközökkel,kommunikációs protokollok

Átírás

1 Jelgenerálás virtuális eszközökkel,kommunikációs protokollok Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás 10. előadás Schiffer Ádám egyetemi adjunktus LabVIEW-7.1 EA-3/1

2 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-3/2

3 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-3/3

4 Párhuzamos jelátvitel szabványos protokoll: IEEE488 (GPIB) párhuzamos 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-3/4

5 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-3/5

6 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-3/6

7 GPIB előnyei Több, mint 5000 GPIB eszköz kapható jelenleg Software kompatibilitás más interfészekkel Könnyen kezelhető Kis késleltetés(kevesebb, mint 100 µs, jobb mint LXI és USB) Jó sávszélesség (1.8 MB/s IEEE 488, 8 MB/s HS488) Masszív kábelek Nagy távolságú távvezérlés lehetséges optikai és Ethernet csatolókkal LabVIEW-7.1 EA-3/7

8 GPIB PÉLDA L-listener; T-talker; D-kimarad a kommunikációból L* - vezérlés szempontjából listener. LabVIEW-7.1 EA-3/8

9 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-3/9

10 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-3/10

11 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-3/11

12 VXI előnyei VXI busz legigényesebb alkalmazások kezelésére, több igényes vállalat együttműködéséből jött létre 19 éve sikeres vezető moduláris eszköz Jól tesztelt, megbízható Flexibilis LabVIEW-7.1 EA-3/12

13 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-3/13

14 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 160 MB/s adatátviteli sebesség megszakítás lehetőségek akár 21 eszköz is csatlakoztatható a buszra LabVIEW-7.1 EA-3/14

15 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-3/15

16 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-3/16

17 VXI rendszer különböző konfiguráció lehetőségei LabVIEW-7.1 EA-3/17

18 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-3/18

19 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-3/19

20 PXI (PCI extensions for Instrumentation, nyílt ipari specifikáció, 1997) LabVIEW-7.1 EA-3/20

21 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-3/21

22 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-3/22

23 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-3/23

24 USB (Universal Serial Bus) LabVIEW-7.1 EA-3/24

25 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-3/25

26 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-3/26

27 Folytonos idejű jelek diszkrét idejű mérése A mintavételezési kártya, Built in LabVIEW-7.1 EA-3/27

28 Mágneses Hiszterézis Mérése R n etalon ellenállás U n etalon ellenállás feszültsége DAQ U x indukált feszültség U s forrásfeszültség N 1, N 2 menetszám l közepes hossz A ker esztmetszet Un U N = i, H l = N1 i, H = n 1 Rn Rn l U x =N 2 dφ, dt U x dt Φ= B A, B= t N2A LabVIEW-7.1 EA-3/28

29 Mágneses Hiszterézis Mérése P S LabVIEW-7.1 EA-3/29

30 A mérőberendezés sematikus vázlata 1 mérőberendezés Ugmax=300 mv Ugmin=100 mv _ Ug + Rn AI0 R=0,01 Ω N1=70 l= 170 mm N2=70 A= 35 mm2 fmin=5 Hz fmax=200 Hz AI1 LabVIEW-7.1 EA-3/30

31 Jelgenerátor adatainak kivitele National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/31

32 Jelgenerátor adatainak kivitele National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/32

33 Jelgenerátor adatainak kivitele, Create Virtual Channel National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/33

34 Jelgenerátor adatainak kivitele, Create Virtual Channel National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/34

35 Jelgenerátor adatainak kivitele, Waveform Buffer Generation National Instruments/LabVIEW7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/35

36 Jelgenerátor adatainak kivitele, DAQmx Timing National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/36

37 Jelgenerátor adatainak kivitele, DAQmx Write National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/37

38 Jelgenerátor adatainak kivitele, DAQmx Start Task National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/38

39 Jelgenerátor adatainak kivitele, Wait Until Done National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/39

40 Jelgenerátor adatainak kivitele, Is Task Done National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/40

41 Jelgenerátor adatainak kivitele, DAQmx Clear Task National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/41

42 Jelgenerátor adatainak kivitele, DAQmx Simple Error Handler National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/42

43 Jelgenerátor adatainak kivitele, Front panel National Instruments/LabVIEW 7.1/examples/DAQmx/Analog Out LabVIEW-7.1 EA-3/43

44 Jelgenerátor adatainak kivitele-válaszjel beolvasása National Instruments/LabVIEW 7.1/DAQmx/ LabVIEW-7.1 EA-3/44

49 Jelgenerátor adatainak kivitele-válaszjel beolvasása, LabVIEW-7.1 EA-3/49

50 Mérési Adatgyűjtés,Egymásutáni (Sequenciális) Programozás... első lépés, első szint n-edik lépés n-edik szint második lépés második szint LabVIEW-7.1 EA-3/50

51 Első szint, Jelgenerátor adatainak kivitele, válaszjel beolvasása I LabVIEW-7.1 EA-3/51

52 Adatgyűjtés, Jelmozgatás a "Front Panelen" LabVIEW-7.1 EA-3/52

53 Második szint, Adatkiértékelés, Hiszterézis előállítása LabVIEW-7.1 EA-3/53

54 Adatkiértékelés, a hiszterézis a "Front Panelen" II f=10 Hz Us=1 V LabVIEW-7.1 EA-3/54

57 Adatkiértékelés, a hiszterézis a "Front Panelen" III LabVIEW-7.1 EA-3/57

58 Harmadik szint, Jelfeldolgozás I LabVIEW-7.1 EA-3/58

59 Harmadik szint, Jelfeldolgozás II 1. A jel spektruma, Fourier transzformáltja F { x[k ]}=X f = X f e X f amplitúdó spektrum ϕ f fázis spektrum LabVIEW-7.1 EA-3/59 jϕ f

60 Harmadik szint, Jelfeldolgozás IIa 2. A jel energiaspektruma 2 E = x t dt E= 2 x[ k ] T k = 2 E = X f LabVIEW-7.1 EA-3/60

61 A jelek Fourier transzformáltja LabVIEW-7.1 EA-3/61

62 Jelfeldolgozás, Zajszűrés középértékkel Szűrés középértékkel = Medián filter a zajos jel x[ i ] 1 2 i N a szűrés folyamata J [i] i-r i-2 i-1 i 1 y [ i ]= x [ i ], i=1,2,, N 2r 1 i r a szűrés eredménye 1 2 i+r i r r - a szűrő rangja y[ i ] i+1 i+1 i N LabVIEW-7.1 EA-3/62

63 Jelfeldolgozás, Zajszűrés LabVIEW-7.1 EA-3/63

64 Jelfeldolgozás, Zajszűrés LabVIEW-7.1 EA-3/64

65 Jelfeldolgozás, Zajszűrés f=10 Hz LabVIEW-7.1 EA-3/65

66 Az 3. villamos mérés feladatai Cél: Gerjesztő és válaszjelek mérése elektronikus áramkörben, virtuális eszközzel. (mágneses hiszterézis mérése LabVIEW programmal) 1. feladat: Ismertesse az adatbeolvasási és kiíratási ciklus szervezését, illetve a vasmagos tekercs hiszterézis kiszámításának módját, a szükséges program lépéseket. 2. feladat: Adott frekvenciájú gerjesztés mellett vegye fel az Un(t) és az Ux(t) feszültségek időfüggvényét, majd ebből állítsa elő a H(t) mágneses térerősség- és a B(t) mágneses indukció időfüggvényét, valamint a hiszterézis karakterisztikát. Miért más a hiszterézis görbe alakja, ha megismételjük a mérést? Mi az a maradó (remanens) mágnesesség? 3. feladat: Állapítsa meg az anyag előmágnesezett állapota miatt a karakterisztika excentricitását és ezekkel az értékekkel korrigálja a mért értékeket - ennek megfelelően javítsa ki a programot! Adja meg a korrekciók értékékeit. 4. feladat: Vizsgálja meg a hiszterézis karakterisztika változását nagyobb frekvencia esetén. Mi történik, ha az amplitúdót csökkentjük? Ábrákkal mellékelje és magyarázza meg a jelenséget. 5. feladat: Alkalmazzon Median szűrőt és vizsgálja meg, hogyan függ a zajszűrés minősége a szűrő rank-számától és a periódusban szereplő minták számától. 6. feladat: Vegye fel a B mágneses indukció, és a H mágneses térerősség spektrumát, ábrázolja az amplitudó és a fázis spektrumokat. Milyen léptékeket érdemes használni az x és y tengelyeken és miért? Miben különbözik H és B spektruma? Hozzon floppy lemezt/usb flash pendrive-ot az adatsorok, grafikonok mentéséhez! Készítsen jegyzőkönyvet az oktató által kiválasztott feladatokról! LabVIEW-7.1 EA-3/66

67 Irodalom 1. Szakonyi L. Jelek és Rendszerek I, II, Pécsi Tudományegyetem, Fodor Gy. Jelek és rendszerek, Műegyetemi Kiadó, LabVIEW-7.1 EA-3/67