Možnost využití prostředí Lab VIEW pro práci se signálem v oblasti měření neelektrických veličin


Zapletal, Tomáš1, Petrovský, Vladimír2 & Hutyra, Milan3

1 Ing, VŠB-TU Ostrava, FEI Kat. 455 - Měřicí a řídicí techniky, 17. listopadu, 708 33 Ostrava - Poruba, zap00to@nwfei1.vsb.cz

2 Ing, pet00vl@vsb.cz

3 Doc., Ing., CSc,

1. Abstract

The goal of this paper is to present possibility of using of the programm equipage "LabVIEW" (the general conception directly predetermines this environment to using for simulation at domain of measurement, in other words for data acqusition and processing) for simulation and following application of real nonelectrical quantity measurement.

The whole simulation of problem is distributed in two basic parts. The first part contains simulation of components of measurement chain, which are important for acquisition of measurement signal and its elementary adaptation, for example amplification and conversion from analog quantity to digital quantity. The second part of simulation includes processing of digital data, for example temperature compensation, linearization and so on.

Simulation is a standard part of development procedures in concern on saving material, energy and human potencial. By means of simulation it is possible to create model of real fact or activity of concrete measuring chain, which envolves all desired and needful proprieties of the chain. Integral advantage of working over simulation is possibility variety of result by combination of input parameters, by chance of combination employed equipment and capability to display results, namely as final curve, such and fractional. Therefore application of simulation avoids from generation a lot of expensive, needless and unneeded applications. These applications are unserviceable, and they are redundand.

In the concrete event, where simulation reading of non electric quntity is desired, the performance is distributed into several blocks (modules), where concrete block is presented by explicit fragment of measuring chain and this block is represented in the block diagram by means, that are called icons and each icon have competent outlet.

Outlets of icon have attributes for easier connection of individual blocks with each other. Allocation and number of outlets in icon can be chosen from menu.

Blocks are formed and connected in such way, that the resulting chart composes simulation of real measuring chain.

1. Úvod

Senzory musí být rozšířením lidských smyslů a možností. Existuje řada oblastí, kde získání vědomostí pomocí signálu ze senzoru, rozšiřuje oblast lidského chápání a vědění. Samotné změření a získání veličiny však nestačí. Je nutné umět danou veličinu zpracovat a vyhodnotit, k čemuž slouží vybraná měřící metoda - SOFTWARE a vhodné technické vybavení - HARDWARE. Nedílnou součástí vývoje a návrhu nových postupů, prostředků a součástí je možnost využít různých simulačních prostředků a programových produktů. Díky nim je práce návrhářů a konstruktérů ulehčena a výsledný efekt ovlivňuje i finanční stránku nového zařízení, protože díky vhodnému simulačnímu programu je možno navrhnout a následně i realizovat taková zařízení, která plní svou funkci podle požadavků uživatele, na základě zadaných vstupních parametrů a jejichž struktura a činnost jsou výsledkem výběru relativně ideálního řešení daného problému.

2. Základní pojmy a výrazy

2.1. Měření - specifikace

Měření je proces přiřazení čísel objektům a událostem reálného světa a dělí se tři základní oblasti:

2.2. Měřící řetězec

Vhodný případ je takový, že měřící řetězec obsahuje pouze nejzákladnější prvky pro analogové zpracování signálu (vlastní snímací element, zesilovač analogového signálu, A/D převodník, ...) a ostatní práce s naměřenými daty probíhá se signálem číslicovým. Pomocí číslicového zpracování jsme schopni realizovat značně složité algoritmy práce se signálem.

2.3. Simulace - řešení problematiky měření a zpracování dat

"SIMULACE" = předstírání, napodobování nějaké situace nebo děje.

Pro řešení problému simulace měření neelektrické veličiny je vybráno obecné vývojové programové prostředí firmy "National Instruments" - LabVIEW, jehož součástí jsou bohaté knihovny, uživatelsky příjemné rozhraní a dobře propracovaný systém nápovědy. Lze dokumentovat několika základními rysy, že vývojový systém je vytvořen pro tvorbu aplikací v oblasti měření a zpracování dat:

Stručný popis virtuálního přístroje

Dělí se na dvě provázané části:

ČELNÍ PANEL (Front Panel FP) = interaktivní grafické rozhraní ke koncovému uživateli (Graphical User Interface). Zde jsou ovládací prvky a indikační prvky. FP představuje čelní panel fyzického přístroje.

BLOKOVÉ SCHÉMA (Block Diagram) = definuje činnost VI, představuje zdrojový kód VI; obsahuje koncové bloky a uzlové bloky, které vyjadřují příkazy, operátory, funkce a podprogramy textových programovacích jazyků.

3. Příklad řešení:

3.1. Modul čidla

Modul převádí měřenou neelektrickou veličinu (tlak) na veličinu elektrickou (napětí). Proto je vstupní veličinou bloku nejen tlak, ale také charakteristické veličiny snímače z katalogu.

Je možno si vybrat čidlo kompenzované (viz obr. 1) nebo nekompenzované. Tlak je ve vztahu k citlivosti čidla. Citlivost = poměr maximálního výstupního napětí čidla a maximálního vstupního tlaku.

Obr. 1. Kompenzované čidlo

3.2. Modul pro přepočet používaných jednotek tlaku na kPa

Protože naměřené hodnoty tlaku mohou nabývat různých jednotek (v závislosti na použití čidla a v závislosti na měřící metodě a cejchování měřícího přístroje). Základní přepočet jednotek vystihuje následující rovnice :

1kPa = 7,50062 mmHg = 10 millibar = 4,01475 in H2O = 0,145038 PSI

3.3. Modul zesilovače

Tento modul představuje dva řešené problémy:

Výpočet se vztahuje pro reálný zesilovač. Nejprve je nutné zvolit parametry, které jsou důležité pro daný výpočet: např. SpanMIN, SpanMAX, OffMIN,, OffMAX,, ... a to pomocí katalogu.

Pak lze postupovat podle jednotlivých kroků návrhu:

  1. Určení "ZESÍLENÍ"
  2. Výpočet "Maximálního Možného Rozsahu Zesíleného Offsetu"
  3. Určení "Kladné A Záporné Úrovně Posunu Od Požadované Hodnoty"
  4. Výpočet "Hodnot Rezistorů Pro Nastavení Zesílení"
  5. Určení "Hodnot Rezistorů Pro Nastavení Offsetu Na Požadovanou Úroveň"

3.4. Modul A/D převodníku

Tento modul simuluje převod analogové hodnoty na digitální. Převod závisí na následujících parametrech: maximální rozsah vstupního napětí, počet bitů převodu, vstupní hodnota, atd.

Výsledkem je hodnota určená pro další zpracování, tedy hodnota pro zobrazení a záznam výsledků nebo hodnota pro přenos do dalšího zařízení.

Obr. 2. Blokový diagram A/D převodníku

3.5. Modul teplotní kompenzace:

Problematika teplotní kompenzace je řešena na základě následujícího algoritmu - při nastavení dvou teplot se změří výstupní hodnota čidla pro minimální tlak a pro maximální tlak.

Obr. 3. Příklad řešení teplotní kompenzace

Tyto změřené veličiny tvoří základ pro výpočet teplotní kompenzace

4. Číslicová filtrace

Číslicový filtr lze charakterizovat jako algoritmus nebo obvod, který slouží ke změně spektra vstupního diskrétního signálu požadovaným způsobem. Z původního určení pro sdělovací techniku se jejich uplatnění orientuje také do oblasti měření. signálu

Filtry dělíme podle různých kritérií a výsledek může vypadat takto:

Podle impulsní odezvy h(n):

Podle struktury filtru:

Z čehož pro impulsní odezvu platí:

Pro vyjádření v kladných mocninách z lze psát:

Závěr: H(z) má pól pouze v počátku => tento filtr je vždy stabilní.

4.1. Návrh číslicových filtrů IIR

Tři kroky návrhu těchto filtrů

ad1) tento krok je závislý na použití filtru v aplikaci, nutno určit parametry kladené na filtr a definované tolerančním schématem (kmitočtová charakteristika, impulsní odezva, přechodová charakteristika, ...).

ad2) Aproximaci můžeme řešit jedním z následujících způsobů:

Čistě matematicky (metoda nejmenších čtverců, kmitočtová transformace filtrů, inverzní návrh metodou nejmenších čtverců).

4.2. Návrh číslicových filtrů FIR

Tyto filtry nemají analogii v analogových obvodech => návrh musí být založen na úplně jiném principu.

Jedná se o následující principy - metoda Fourierových řad, návrh filtru pomocí okenních funkcí, návrh filtru pomocí kmitočtového vzorkování, vyjádření pomocí trigonometrického polynomu.

4.3. Modul filtru

Jedno z možných řešení nabízí výběr čtyř základních druhů filtrů (Besselův filtr, Butterwordův filtr, Čebyševův filtr a Eliptický filtr). Prvky na čelním panelu zvoleného filtru poskytují uživateli možnost nastavit parametry pro správnou funkci filtru - například vzorkovací frekvenci, řád a typ filtru, atd. Podle výsledků po filtraci (je znázorněna v grafu) se určí nejideálnější varianta filtru pro konkrétní použití.

Jednou z variant, která umožňuje v LabVIEW simulovat blok plnící funkci filtračního členu:

Obr. 4. Blokové schéma Čebyševova filtru

Jedná se o klasický přístup, kdy po výpočtu se realizuje smyčka s převodem vstupního signálu na výstupní pomocí knihovních funkcí programového prostředí.

Další možností návrhu číslicového prvku je případ, kdy přenosová funkce je ve tvaru diferenční rovnice. Pak se využije jedné z výhod LabVIEW - programově vytvořit zpožďovací člen.

Obr. 5. Zpožďovací člen

5. Závěr

Měření neelektrických veličin je nedílnou součástí technické praxe, proto se musí věnovat této činnosti patřičná pozornost, aby spolu s technickým vývojem narůstala spolehlivost, efektivita a účinnost. Jednou z oblastí pro podporu výše uvedených vlastností je simulace. A to simulace nejen prvků pro získání signálu, ale také prvků nebo metod pro úpravu a zpracování signálu. Simulace slouží jako prostředek pro testování různých možností kombinací vstupních parametrů nebo prvků, výběr vhodné metody.

Moderní řešení má jako hlavní předpoklad omezení hardwarových prvků a nasměrování činnosti k práci s číslicovým signálem. To poskytuje několik výhod, jako například omezení vlivu tolerancí použitých součástek, možnost přenosu dat na větší vzdálenosti, možnost lepší kontroly signálu při přenosu.

Mezi výhody práce se signálem číslicovým například patří to, že se snižuje závislost na tolerancích použitých součástek, je malá citlivost na vnější rušení, přesnost zpracování informace lze zvolit délkou zpracovávaného slova a v neposlední řadě také pružnost zpracování, která je dána programovatelností různých algoritmů pro jednotný hardware.

Za výhody číslicových filtrů lze například považovat to, že je možné realizovat číslicové filtry pro kmitočty f < 1 Hz (součástky analogového filtru by nabývaly velkých rozměrů), ale hlavně je snadné změnit parametry filtru díky možnostem úpravy a změny koeficientů filtru anebo změnou kmitočtu vzorkování, čili změnit typ filtru, popřípadě opakovaným přivedením diskrétního signálu z výstupu filtru zpět na jeho vstup zvýšit řád filtru.

6. Literatura

BRIGNELL, J. & WHITE, N. Intelligent Sensor Systems. University of Southampton 1994.

DAVÍDEK, V. & SOVKA, P. Číslicové zpracování signálů a implementace. Praha : ČVUT, 1996.

DOSTÁL, T. & VRBA, K. Elektrické filtry. Brno : VUT, 1993.

Hand Book LabVIEW. National Instruments. (Elektronická forma studijních materiálů katedry Elektických měření VŠB-TU Ostrava)

SEDLÁČEK, M. Zpracování signálů v měřící technice. Praha : ČVUT, 1993.

SKALICKÝ, P. Digitální filtrace a signálové procesory. Praha : ČVUT, 1995.