автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Разработка метрологического обеспечения и средств визуализации виртуальных измерительных приборов и систем

П г о ■ п П I 5 I) Ь .-I

■>.ОбкОВСкЙЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

■ /

На правах рукописи

КРУГ ПЕТР ГЕРМАНОВИЧ

' РАЗРАБОТКА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И СРЕДСТВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ВИРТУАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Специальность 05.11..а - ПрйСсры и методы ■измерения электрических и магнитных .величин

'. ' . \

• АВТОРЕФЕРАТ 'диссертации на соискание ученой степени кандидата '.--..' технических наук

Москва 1993

Работа выполнена б Московском энергетическом институте

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент В.А.Панфилов. ■

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор В.Ю.Ккеллер;'

кандидат технических наук, профессор Т.М.Александрия«

Ведущая организация -Всероссийский научно-исследовательский, институт метрологической-службы (ВНИИМС), г.Москва

Защита состоится "(X" Уг® ¿т. в & часов на васе-

дании специализированного^Совета К-053.16.10 Московского энергетического института по адресу: л 105835, г.Москва, Е-250, Красноказарменная, ул., 14, корп.£_, ауд. Р-Зе?

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергет:г1еского института (технического университета) .

Автореферат разослан

Учёный секретарь специализированного Совета

к.т.н., доцент . Е.А.Бородкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современный этап развития информационно-измерительной техники ' характеризуется, с едкой стороны, повышением требований к метрологическим характеристикам средств измерений, а с другой стороны, ки-' роким использованием щфрОйой' вычислитель ней техники, персональных ' компьютеров и рабочих станций.

При естественном росте- потребностей практики исследований и квалификации пользователей измерительной техники повьваотся требования к полноте динамических параметров применяемых аналоге-цифровых преобразователей, измерительных каналов в целом, включая мультиплексоры/ усилители, фильтры, устройства выборки-хранения и др., а также к эффективным средствам их оценки. '■

Традиционные методы определения параметров каналов аналого-цифрового преобразования (АЦК) далеко не всегда удовлетворяют совре-.. менным потребностям по организации эксперимента, по оцениванию дос-^-®о£ерности результатов эксперимента, по сравнению возможностей раз- .

Интуитивно ясйггЧн-экспериментально подтверждается], что с ростом скорости'изменения исследуемых сигналов достоверность результатов аналоговых и аналого-цифровых '-преобразований падает.

Динамические параметры АЦП "врейя-чЛрейбра'зования", "апертурнсе время" и "апертурная неопределенность" неТ'-являются полными и ке должны быть : единственными для характеристики АЦК в динамике, так как они "неудобны" для оценки и представления погрешности конечных результатов измерений. • ■ • \ч

.На актуальность этой проблемы применительно tt АЦК обратили внимание ведущие западные приборостроительные фирмы (Hewlett-Packard, . Burr Brown, Analog Devices и др.) ."которые с середины 80-тых'годов ; стали указывать динамические' метрологические параметры и характе- ; ристики, позволяющие определять погрешности конечных результатов, измерений; в паспортах на свои изделия. .

Применение персональных компьютеров (ПК) и рабочих станций открывает новые-возможности не только автоматизации.процесса измерения и обработки результатов эксперимента, но и создания информационно-измерительных систем :(ИИС) , обладающих новым качеством.

К качественно новым ИИС"следует отнести так называемые вирту-■. альные измерительные приборы (виртуальные приборы) .и системы, которые стали развиваться в настоящее время на базе когнитивной компьютерной графики, а также пользовательский интерфейс, включающий визуальные управляемые изображения измерительных приборов и систем.

Виртуальный прибор представляет собой совокупность измерительного канала и-программного модуля, позволяющую изобразить на экране ЭВМ соответствующий этому канату образ измерительного прибора и с ним взаимодействовать.

Таким образом, большую актуальность приобретает исследования в. области разработок методик, алгоритмов и'программ повышения эффективности существующих КИС и создания систем, обладающих новым качеством.

Цель работы -

Целями настоящей диссертации являются:

- проведение анализа отечественной и зарубежной литературы В области метрологического и визуального обеспечения виртуальных измерительных приборов и. систем;

- разработка на базе различных подходов методики динамических испытании каналов, азалсго-цифрового преобразования;

- создание программного-обеспечения - инструмента, позволяющего конструировать виртуальные приборы • различного назначения, в том числе виртуальные приборы, индицирукдие точностные показатели результатов измерений;

-'разработка отдельных базовых программных модулей, позволяющих автоматизировать процесс визуализации виртуальных систем в режиме, ¡и проектирования и эксплуатации; ,

- доведение разработок до законченной методики испытаний кака- . лое аналого-цифрового преобразования, а также каталога виртуальных приборов,, экспериментально апробированных -программных продуктов.

Основные задачи исследования

Анализ отечественной и зарубежной литературы.в области метрологического и визуального компьютерного обеспечения.АЦК; разработка и исследование каучнообосновашшх методов и методики испытаний АЦК, позволяющей оценивать параметры и характеристики АЦК в динамическом режиме; создание алгоритмических и программных средств автоматизации конструирования виртуальных приборов и систем, в том числе, виртуальных приборов с индикацией показателей точности результатов измерений.

Методы исследования

Достоверность результатов определяется применением'математических методов, теории вероятности, метода наименьших квадратов, проверкой работоспособности программ результатами моделирования на ПК и экспериментальной проверкой алгоритмических и программных средств при испытаниях реальных.АЦК.

Научная новизна

. 1. Разработан метод определения и визуализации "метрологического коридора" вокруг временной последовательности кодовых слов, выражающих мгновенные значения измеряемого процесса.

2. Разработана методика динамических испытаний АЦК, отличающая' ся комплексным'характером алгоритмов, ' позволяющих оценить значения

ряда ;параметров и характеристик АЦК, достаточного для построения данного коридора. Предложен метод определения числа эффективных бит, не требующий точного знания частоты образцового синусокдальнего- сигнала, обладающий' абсолютной сходимостью алгоритма.

3. Разработаны, принципы построения и алгоритмическое обеспечение программной'-системы "МетроТест", позволяющей' автоматизировать

.'процесс обработки результатов испытаний и расчета с заданной точностью метрологических.характеристик АЦК.

" 4. Сформулированы требования и принципы построения виртуальных измерительных приборов и систем,, учитываете возможность компьютерной реализации органов управления и индикации,. обеспечивающие оперативное управление измерительными каналами со~стороны компьютера. Предложены . принципы расширения 'функциональных'' возможностей виртуальных .приборов за счет добавления блоков метрологической индикации, позволявших-• оценить достоверность измерений и повысить наглядность измерительного эксперимента путем индикации точностных показателей их результатов' в'реальном времени.

5. Разработана структура и принципы построения алгоритмического и програйиоро^обеспечения "Викад" автоматизации конструирования виртуальных приборов"и-систем.- . '; ' •

Практическая ценность работы

Разработана методика для проведения комплексных испытаний АЦК в статическом ¿1- .динамическом режимах оценки ряда метрологи-

ческих параметров и характеристик, в том.числ^,..позволяющих определять конечные1, результаты, измерений, проведенйьк с использованием испытанного АЦК, Данная методика может быть практически использована для испытаний АЦК,- реализованных в различных конструктивах (мик-• росхема,-модуль, . прибор), на этапах их разработки, ■ изготовления и эксплуатации. 'Обработка результатов испытаний производится автома- ) [ тически с использованием стенда на базе ПК и КПС "МетроТест". \.

Визуализация.точностных показателей результатов измерений в / виртуальных приборах-, происходящая в реальном времени эксперимента,1 позволяет'заметно повысить эффективность.недостоверность исследований.

Разработаны алгоритмические и программные средства автоматизации конструирования виртуальных приборов и систем, позволяющие экономить средства на приобретение аппаратуры, повышать с помощью когнитивной компьютерной графики"наглядность и эффективность исследо- ■ . ваний, создавать, компьютерный каталог серийно-выпускаемых приборов, . широко использовать их в учебных целях.

Реализация результатов работы ■ Практическое внедрение результатов диссертации включает:

1. Регистрацию и утверждение Госстандартом РФ метода испытаний А11П в виде типовой методики и реализуемого с помощью персонального компьютера.

2. Использование компьютерного каталога виртуальных измерительных приборов в учебном, процессе на кафедре Информационно-йзмери--, тельной техники Московского энергетического института.

Апробация работы

Основные результаты работы-докладывались на научно-технической конференции "ИИС-89" (г. Ульяновск, 1989), научно-технической конференции "Рвдиоизмерения-91"'(Севастополь, 1991), научно-технической конференции (г.Киев, 1992), X научно-технической .конференции "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях" (г.Москва, 1992), международной научно-технической конференции "Датчик-93" (г.Гурзуф, 1903), международном симпозиуме "ICS-NEt-03" (Санкт-Петербург, 1993).

Публикации

По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ, .в том числе Методические Указания Госстандарта РФ (МИ 2231-92).

Объем и структура работы

Диссертация общим объемом 149 стр. состоит из введения, 4 глав, списка литературы, 4 приложений, содержит 133 страницы основного текста, 32 рисунка, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ Р А Е О ТЫ .

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ достижений в области разработки совершенных.схем аналого-цифрового преобразования, дан обзор метро-. логических параметров и характеристик, нормируемых на отечественные и зарубежные изделия аналога-цифрового, преобразования, а также методов их оценки.

. Отмечено, что при регистрации быстропротекаших процессов достоверность результатов аналого-цифровых преобразований падает, увеличивается погрешность.измерений мгновенных значений сйгналов. Наблюдается заметное искажение функции преобразования (ФЩАЦК, а также . повышение уровня случайной составляющей погрешности. Причина данного эффекта заключена в'инерционности'элементов и узлов входящих в АЦК, которые не успевают полностью изменить свое состояние за время преобразования. Ограниченная, скорость преобразования и время установления сигналов на выходах таких элементов, как операционные усилители, компараторы, устройства-выборки-хранения (если, используются) и др., '.оказывают значительное'влияние на динамические срсйс-

.тва AUK.■ • !

Показано, что недостаточность номенклатуры существующих параметров и характеристик, а также применение АЦК, включающих значительное число составных частей помимо собственно AIIIT: устройств мультиплексирования, фильтрации, выборки-хранения и др. ставят следующие вопросы. , /

а) О возможности и целесообразности использования классических 'метрологически^ параметров АЦП, характеризующих его в статическом

'режиме: ' _.......- '" ■■ ■ '"" ■ '

-- дифференциальной нелинейности,

- интегральной нелинейности,

- наличия и количества пропусков кодов (missing codes) для оценки свойств аналого-цифрового преобразования в' динамическом режиме его работы: , < . -/' . ■ ;

О - iJ(f)

I

где ? - "несущая" частота измеряемого сигнала;

. д метрологический параметр АЦП. , б) 0 ■ возможности , и' целесообразности использования для интэг-|ойоцейки точностных показателей АЦП функций "числа эффективных "(шШг&аяЫхшх) бит"(ЧЭБ): ;

и "отношения \сигнал-шум" (ОСШ):

SHR - snr

в) Об оценке метрологических свойств АЦК в целом Трдо. 1), позволяющей-польвователю использовать определяемые й нормируемые параметры для оценки погрешностей конкретных результатов измерений. ' . !

Таким образом, следует говорит^, видимо, не о параметрах4^ о / динамических характеристиках АЦК, определение которых целесообразно ¡' - проводить на интервале ограниченном частотой Найквиста (Котельнико- / ва) Йгах: •

' ; Гп«х ~ 0.6 * Гдискр. . '

где Гдискр " быстродействие АЦК (число намерений в секунду).

Дана классификация существующих методов оценки этих параметров и характеристик по следующим признакам: виду измеряемых параметров и характеристик; виду образцового сигнала; использованию вычислительной техники (микропроцессоров); использованию точного испытательного оборудования; представлению результатов испытаний;, .методам

иш АМЛОГС-Ц-МШОГО ЦРЕ05РАШШЛ

_____ ____ ——--———-—r

IJñmmi« Y»V U À 1Í Л Wwnrnrfc У

ÍA«№WM -

КАНАЛ ЛМА0П1-рОТВ>0га ПРЕЮРЛЗО&АШ

Рис. 1

CrWTYPHÄ* США УШЯСШ Щ ОЖЩЕНИЛ ММКГЕКЯЛК ЛОПЕЩНОСТЙ AüK, t ДйШйЧЕад/И pí*. MÍE

OSFÍUCtbltl 1КГ0ЧИ1Ш СШСИДМНОГ» H СиГ«АЛА ТГЕ8ГЕМЫХ

I мпсты s «ИТУЙ

te

Сигнал« тьштя Результату «следмнм <—-

к(жп»н>тег («ЕВДА/Ш}!«.

tOf)

Рис. 2.

измерений.'-.

Офсрмудирсванн следующие недостатка трааиккеккых -методов опенки ■ метрологических.параметров' я характеристик:

- при определении параметров ФП. Л!Щ с различным ткнем преобразования имеют место трудности при выборе вовремя испытаний участков на ОД с наибольшим значением предполагаемой погрешности. Единого подхода для выбора д?их участков на ИТ не существует, что приводит к возможным схибкам при определении максимальной погрешности ■преобразователи!;

невозможность .определения и нормирования'Динамических параметров и характеристик АПК, позволяющих рассчитать погрешность конечных результатов динамических измерений; ;

- не используются в деляной мере современные средства ьтшли-' тельной техники (персональные компьютеры), средства автоматизации

' процесса испытаний, а следовательно, ограничены-возможности для минимизации участия- исследователя' (поверителя) в процессе испытании и снижения общего времени испытаний; ■

- ограничены возможности определения погрешностей АЦК в реаль-. кых условиях их эксплуатации в составе'измерительных систем. й~~-«ДоказанЬ,- что ' вполне ' своевременным является разработка комп-

летенеТдагедищ^дишенной вышеуказанных недостатков, позволяющей испытывать изделия аналого-цифрового преобразования, как в статике, ' так и в динамике во всём диапазоне частот их работы.

Для проведения экспериментов 'Па^опрёделе.нйю характеристик - погрешности АЦК Предложено использовать испытательный стенд, собранный в соответствии! со структурной схемой,, изображенной на рис.2. Сформулированы основные условия и-принципы построения комплексной-методики, позволяющей проводить испытания микросхем,' измерительных плат и модулей в различных стандартах (1ЕЕЕ-488, УМЕ и УхЪ^МиШВчэ и 1 др.), . цифровых регистраторов, осциллографов- и йнаяизатсров. В качестве испытательного (образцового) средства измерения используется . источник гармонического сигнала с регулировкой частоты и низкий коэффициентом гармонических искажений, со стабильными значениями устанавливаемой частоты и.амплитуды. Амплитуда синусоидального образ- ' цовоГо сигнала устанавливается равней половине разности максимального и минимального значений измеряемых испытуемым АЦК для .обеспечения полного' "накрытия" сигналом этого диапазона.

Дано описание статистического (гистограммного) метода определения погрешности АЦК; предложены.соотношения для определения значения аддитивной и мультипликативной погрешности, систематической . составляющей погрешности, показателей нелинейности (интегральной и дифференциальной) преобразования, наличия и количества пропусков кодов как функции от частоты измеряемого сигнала.

. Интегральная нелинейность для каждого кв&нта (кода) Ш рассчи-

- iu -

- тывается по формуле:

( L N

! UCp,2 -1 - иСр. о К

Линт., i " UCp. i - | ----— * 1 + UCp. о I . В

I 2 - 1 I

i ■ . V

где UCP,i - средние значения напряжений, ■ соответствующее границе 1-того кванта, определяемое кал средне-арифметическое значение tij, найденное по.ряду экспериментам.

L - разрядность АЦК.

Дифференциальная нелинейность для каждого кванта (кода) ФП рассчитывается по формуле:

Ui - Ui-1

лдиф.,1- -—;- - 1, емр

Чср •

где qCp - среднее значение кванта ФП ЛЦК,

Ui - значения напряжений, соответствующее границе 1-того кванта.

О наличии пропусков кодов (missing codes) свидетельствует наличие в гистограмме НШ ординат равных нулю. Число пропусков кодов, равно числу таких ординат.

Максимальное в пределах диапазона измерения испытуемого АЦП значение систематической составляющей погрешности по формуле:

Лз.тах - max(|Ui-(i*q-0.6*q*slgri(l))|), в

где q - номинальное значение кванта <Ш АЦК. . "

Разработан алгоритм аппроксимации экспериментальных данных синусоидой для определения интегральных метрологических характеристик АЦК в динамическом режиме - значений ЧЭБ и ОСШ как функции частоты измеряемого сигнала. Величины ЧЭБ и ОСШ характеризуют погрешности АЦК, обусловленные нелинейностью ФП АЦК и случайной составляющей погрешности. • Разработан алгоритм метода аппроксимации экспериментальных данных sj синусоидой, основанный на аппарате метода наименьших квадратов (МНК) и с учетом периодичности функции arcsln и с применением интерполяционного полинома Лагранжа. Применяется весовая (оконная) функция Блэкмана-Харисса. Рассчитывается оценка постоянной составляющей D, оценка амплитуды А, оценка фаэы ф и оценка частоты f аппроксимирующей синусоиды.

Рассчитывается среднее квадратическое отклонение погрешности, обусловленной нелинейностью ФП АЦК-и случайной составляющей погрешности испытуемого АЦК по формуле:

n-1

Ep " E (Sj - A * smte-pWo-t, - V) ~ D)'" / (m i)

где fo - частота дискретизации испытуемого АЦК, m - 1 - размер исследуемой выборки,

Рассчитывается значение ЧЗБ, ьыраженное числом адищ млаяаего разряда, по формуле:

( /- N < Г~--N

. , Nmh».- L - loga I/ Ер ( / I V V / I , бит.

v / v ¡

где L - разрядность АЦК, бит.

Рассчитывается значение ОСШ по формуле:

SHR - 6.02 * + 1.76 , дБ

Этапы измерений и вычислений проводятся для нескольких частот образцового синусоидального сигнала, выбранных на интервале, ограниченном частотой Найквиста.

Вторая глава посвящена разработке принципов построения алгоритмического и программного обеспечения, экспериментальному обоснованию предложенной методики, а также оценке погрешностей определения характеристик АЦК. ■

Проведено исследование методики на предмет возникновения методической погрешности определения метрологических характеристик при проведении статистического (гистограммного). метода.

Минимально необходимая длительность экспериментальной выборки для обеспечения заданной точности результатов испытаний статистическим (гистограммкым) методом определяется из следующего соотношения:

П - (Zcf/22 * П * (2l - 1)) / 3Z

где ZcC/2 - Функция от доверительной вероятности, определяется по таблице для нормального закона распределения; . 0 - заданная точность нахождения погрешности, выраженная

числом единиц младшего разряда (ЕМР). •

Показано, что при проведении испытаний необходимо обеспечить •условие некратности частот дискретизации АЦК и образцового синусоидального сигнала. Перед началом испытаний следует оценивать адекватность выбора динамического режима испытаний (частоты образцового синусоидального сигнала) на некратность-с частотой преобразования (быстродействием) АЦК. Частоты считаются некратными если выполняется неравенство:

, I fo - ^искрУМ | > т * (Wkp / М) .

гдн •• частота сбраоиэшго синусоидального сигнала;

М - целое число к определяется по формуле:

,\1,- 1п1. (Гдискр ^ !-о)

% - когу.Учшй'Ш краткости,; минимально необходимое ¡значение кот

'юрого о:н":;.п<'Лй£тс11 но формуле: '■

г - 1 / (1,-) •.(ш'сз1а((г'гь-2)/гг1-)/(2ал:)-о.25))'-- V.. . :'„•'•.'

г г с> !. - разрядность АПК. На практике, значение коэффициента 1 учетом возможной, погрешности установки частоты источ- -

1 л'о сввусоцдального сигнала, выбирается равной

"у - 0.01

Са.-зрцулироЕаны требования к источнику образцового синусоидального сигнала. Требуемое значение коэффициента гармоник источника образцового синусоидального сигнала для- испыташ1я:-АЦК-ра:ШЩои^ разрядности мокко определить .по формуле:-""" •:

• кг - гее / >

Проведены исследования характера влияния нелинейности источника, образцового синусоидального сигнала на точность расчета интегральных метрологических характеристик методом аппроксимации экспериментальных данных синусоидой. Показано, что результаты зависят не от спектрального состава искажений образцового синусоидального сигнала, а от суммарной мощности этих искажений. ■

Приведены результаты исследования - характера-влияния временной нестабильности амплитуды' образцового синусоидального, сигнала на точность расчета интегральных метрологических характеристик-методом аппроксимации экспериментальных данных синусоидой.

Дан сравнительный анализ разработанного и ряда других алгоритмов определения интегральных метрологических характеристик ЧЭБ, ОС-'Ш, отличающихся следующими особенностями: инвариантностью алгоритмов к методу аналого-цифрового преобразования испытуемого АПК; возможностью проведения испытаний АЦК в составе информационно-измерительной системы, в рабочих условиях его эксплуатации; низкой степенью рутинных процедур, характерных для традиционных методов контроля параметров АЦК. не поддающихся автоматизации; отсутствием необходимости при проведении испытаний в выборе участков, на ФП АЦП с наибольшим значением предполагаемой погрешности. :

- 1-3 -

.Исследования данных алгоритмов на t -> »

эаяи, что рагработаннкй алгоритм в «г» i <

быстсые и "тверда?" (псвтерягжиеси) р

алгоритма предпочтительнее с точки п > «

получении оцениваемых харг-кгаристкн и отсутствия необходимости в точном г:т * < i i t соидального .сигнала.

Сфору.улирсеыш основные кграхтврк'зтйги ««геу:г.ч;г"С1""! о •№•«•-рамлюго-'Обеспечения м/ггсдики и дана структур. -.О": ^h-.1-

рсм, комплексной программной сясган (КПС> ""'ггр.л-v.yv;,.■■'■!."'.;-ряквде следующим требованиям:

- обеспечение возможности иссл^дсг.йнил и рованнкх алгорихмсв при ксшл&шх на кс'сьвтп'-асй у^т,-:::,'. ¡■¿■■w-tn-

' Го-'АЦК и на конкретных msexxax «кехогс'шг&сьогс nr.--с.:-::;;

- определение в динамическом режиме ркга K<!T{:LV.onv.'<-«¡гл. рчоа-метрови характеристик, достаточного Z.4 спрчД'гЛеккя

кого коридора" для процесса ягмеряекого АПК.

KilG "МетроТес?" позволяет йопытывать АПК. р>»аливг-|-£н::ка х- tvz* микросхем, плат, модулей аналоге-цпфроного пресСра-ссват'.я. а автономных цйфрогнх средств даздаческах лгмерекк:': ( гилз кгчрсгсгз осциллрграфа, 'анализатора спектра).

Приведены результата исследований конкретных авало-

го-цифрового преобразоваяяд. ¡Три испытаниях шгкрссхеки - АПК Maxim (США) проведено сра&кейие результатов, пздуч*йнах При использовании разработанного алгоритма и алгоритма, предложенного специалистами фирмы Hewlett-Packard (США), которое подтвердило ряд достоинств разработанного метена, выявленных в ходе исследования данных алгоритмов на модели идеального АЦК.

В третей главе сформулированы требования к современным средствам визуализации виртуальных приборов, учягавяюзим возможность компьютерной реализации органов управления и индикации, обеспечивающих 'оперативное управление реальными измерительными канала!«! со стороны компьютера, индикации результатов и их. точности*?* характеристик в реальном времени измерений.

Показано, что при проектировании виртуальных информационно-измерительных систем, наряду с разработкой метрологического обеспечения, существенное значение имеет реализация программным путем визуального изображения и функционирования так называемых виртуальных приборов. Необходимость в этом возникает даже в том случае, когда в системе используются серийно выпускаемые измерительные приборы.

В основу разработки виртуальных приборов были положены следующие принципы: - универсальность, возможность синтеза виртуальных устройств и систем основных разновидностей (конфигураций); - расширяемость, использование объектно-ориентированного принципа построй-

.«tn ашшраткнх- и программных средств; - модульность'; - -функционал»-• наи 1!г.,лн:та средств автоматизированного проектирования виртуальных пр;:':ороь; - простота взаимодействия, интерактивное управление вир-' .г/мышл приборами со стороны клавиатуры (манипулятора "мышь"), оовпедаивзго функционально с управлением традиционными измеритель-: лот ирвйорши: - автономность конечного продукта; -.дополнительность, всхлюжность и эффективность визуализации (в отличие от тра-ч лишенных измерительных устройств и систем) не только результатов измерений, но и оценок показателей их точности. - сравнительная простота.и дешевизна.программного продукта. «

ИроЕеденный анализ существующих программных систем (пакетов) .в ... стране й sa рубежом позволил выявить ограниченность их возможных--применений для создания виртуальных приборов и систем с учетом сов-■ ременных' требований. •

Предложен принцип построения и.разработана программная система, основные характеристики которой обеспечивают выполнение сформулиро--ванных требований к системам визуализации виртуальных приборов.

Разработана структура Ьрограммной реализации виртуального прибора. Составными частями-Модулями этой, программной системы являются: ' библиотека графических элементов, <^рм^фующая_Д£редн»0^анеяь-^ измерительных приборов и других техничепййГ^среДств; библиотека подпрограмм _ графической^виауаййзации измерительных сигналов в виде осциллографических,-цифровых, стрелочных и специализированных индикаторов; библиотека подпрограмм моделирующих механизм (алгоритм) функционирования приборов; библиотека.подпрограмм, осуществляющая процедуры цифровой обработки сигналов; подпрограммы оценки и визуализации погрешностей измерений в виде допуска, основанной на паспортных данных прибора, сведениях о влияющих величинах, методе оце- . нивания показателей точности, статистическом подходе (доверительный интервал-доверительная вероятность) при регистрации случайного или-детерминированного процесса; подпрограммы-драйверы сйязи, • обеспечи-;. вающие задание режимов и поступления данных от/на внешних устройств, технического обеспечения виртуальных приборов; /система автоматизированного конструирования виртуальных приборов,/.позволяющая на этапе проектирования синтезировать управляемую панель прибора, а на этапе эксплуатации обеспечить его работу в виртуальной информационно-измерительной системе.

В основу разработанной библиотеки графических элементов легли конструктивные элементы таких ведущих приборостроительных фирм как Hewlett-Packard, Tektronix, Fluke, Yokogawa и др..

Разработана библиотека виртуальных приборов серийно выпускаемых в стране и га рубе?">м средств измерений, а также имеющих аппаратное обеспечение в виде плат и модулей.

На рис.З показан виртуальный приборе имеющий в качестве аппа-

tm " "' ' ""I

I к AA h № in ни"» ко «ч>

■íSP.-i тскмо-'Шасгиш« меккмсм«. 1

«ImA.'h.K' ;>bv у -'Il

i.^jwaiä «v»®tc:l cd'i'çct ея-м^.л.п,

SlicJ .¿-J/r?J___I ' <?}

iw NtS«; £

Шш

Mr ,

■Ац • •,

»f J ÊSSC^feîCÛ

ii'^r.í:. >;¡J'. I- , ' .v'MJ^lïïïQ

ïfel-Ufb-î./i î4 > ' « Il »»Г l-v

í 11 - л'- • >jf"i

CUtJLÍ Mil

W'V.ü' ï . н

ffttj/OS-i 1

t йК'Д-' »Л» i ' ■ • -

' i.

''О -,

1 ,'J —J - J —J___1

-, -hiiQ i

Рис. 3.

СОСТАВ ЕНРТУАЛьНЫХ CWCTtM ft КОМПЛЕКСОВ

КИСШИ« 1EPHUM WM» кипяль «B« !*«ииш www дамч. IKMK-fV Irm-su.

ГРАФИЧЕСКИЕ ПРИШЛЁМ

ímwt шм

«шимми эщшя гачлп

пойстииые шки

(МШЕТРМ iwnwm ШИИВП ифмитч« «ллиигел адеши&и ниими* ■terns

WBS0PM .

»ШГИ»£ РЕШЕНИЯ' ТОШРОШ1>Е я ИПЫМШ /ÍCHH Atnn

СИСТЕМЫ It КОМПЛЕКСЫ •

PwcA

й осциллограф фирмы Hewlett-Packard HP - общего пользования (КОЛ).

синтеза виртуальных приборов и програм-н испытаний АПК,' позволили сконструиро-

вал дыйЖ приборов (М-приборы), обладающих и « гл точностных показателей результатов из-■

т'ч <у н1 х-характеристик результатов измерений мо- ' ер-э.тае виртуального прибора, причем рас-;

"О с"/ результатов измерений производится на ос, а гр jopa, исходя as двух подходов: наихудшего - -"о л Егором случае задается число измерений' j t-oatrc ъ получения результата. '--'

i* rv ч 1 ""-тробниг М-приборов с визуализацией диками, « - / определяемых на-основе характеристик, най-f 1 ™ с р-пработанной методикой. Первый режим (пер: ai îoro прибора поддерживает испытания АЦК в соот-Г „,с с ^ р * тампон методикой и её-алгоритмическим и ^програм-v i а о* r-ç а В том режиме осуществляется. определение интегральных метрологически характеристик АЦК, - _ как -функции частоты'ис-~ Питательного синусоидального сигнала.—"Второй режим (вторая панель) виртуального прибора' обеспечивает оперативную визуализацию погрешностей е процессе- измерений динамических - сигналов. 'Оценка .метрологических характеристик АЦК и их. визуализация в динамическом режиме осуществляется наиболее эффективным способом "в зависимости 'от свойств измеряемого сигнала (предельной частоты его спектра) и временя преобразования-(быстродействия) АЦП: а) синхронно"с каждым измерением; б) путём обработки собранного в реальном времени массива данных. Визуализация • "коридора" погрешности .на на одном экране М-прибора с регистрируемым сигналом эффективна для-АЦК небольшой и' средней разрядности (до 8- бит), - когда разрешашдя'способность экрана ПК и блока индикации М-прибора позволяют наблюдать этот -"коридор". В случае многоразрядного АЦК визуализацию осуществляют с помощью режима увеличения изображения отдельных .участков .измеряемых сигналов, с помощью дополнительного экрана или с помощью курсора и цифрового индикатора.

В основе метода визуализации динамической погрешности случайно- ' го процесса лежит оценка частоты условного (эквивалентного) гармонического сигнала, проходящего через две точки регистрируемого случайного процесса, соответствующих двум соседним измерениям. Данная оценка производится для каждого измерения (результата аналого-цифрового преобразован!. :). Проведение предварительного испытания АЦК с использованием разработанной методики (гл.1) и алгоритмических и программных средств (гл.2) и нахождение характеристик погрешности в .

зависимости от частоты' измеряемого сигнала посеолтет nocrc.un'.. ь соответствие' каждому игмереккя (результату аналсгс-кМ'Р!"-.''."^ и: разования) некоторую частоту условного (экькь&г.ентпсго) ¡у-г. м кого сигнала и, следовательно, сооте°?тс7Еу?яг.,;«з скакун».' -т-.:. ти.

Сформулированы ограничения для применений М-прябороь с ыг-уч-ш-вацией коридора динамических погрешностей ЛПК.

, Сформулированы достоинства виртуальных np!:Copoi>, nportwwHcv обеспечение которых обеспечивают модульность, рйсстряемест»., надежность, текстовке комментарии, комфорт, очевидность •'поль^сьат'гл*.-ского диалога", возможность получения пердей копхя кн^ркашинисго экранного изображения с использованием пркнтчра.<грагсасстрскт-ля), возможность работы с различными ттами дисплеев (БМ-соем^утиг.-ш: EGA, .VGA).

Сформулирогакы области применения виртуааькых пркборег. Программная система, вкяючакщаа библиотеку графических 3.*»>/.«htos коччт быть использована для .построения виртуальных технических устройств: промышленных контроллеров, Функциональных блоков магистра»но-модульных систем, электрических аппаратов, научных, радиотехнических приборов различного назначения, управляемых пультов, тр^налсрсв и ЯР- .

Разработанные виртуальные приборы использовались в учебник целях для обучения студентов и работе с современной аппаратуре;"! (осу-, ществляется без значительной потери наглядности к дает ощутимый экономический эффект) для создания компьютерных каталогов приборостроительных фирм.

В четвертой главе■сформулированы принципы автоматической вязуа-лиэации виртуальных систем и комплексов з режиме их проектирогатая и эксплуатации. Сформулированы требования к виртуальные информационно-измерительным система».* и комплексам (ЗИС)т' даны основные понятия.

Под виртуальными системами и комплексами понимается совокупность аппаратных и. программных средств реваюцих задачи измерения, передачи и обработки данных и обладающих универсальным пользовательским интерфейсом. Пользовательский интерфейс виртуальных приборов, систем и комплексов (ПЙЗП) реализуемый программным способом, 'должен дать~ возможность с помощью средств компьютерной когнитивной графики в общем случае решать задачи: формирования структуры измерительной системы, задания всех функциональных связей между ее элементами; представления объекта исследования с разной степенью детализации; задания и реализации программы функционирования системы в виде логической и временной последовательности; получение развернутого графического изображения отдельных функциональных модулей, элементов составляющих систему (виртуальный прибор, .функциональный,

йшшратный и программный модуль); обеспечение не только функционирования реальной ВййС, но и ее адекватное компьютерное моделирование jja этапе проектирования. На,рис.4, приводится состав виртуаль-1 ны-х систем и комплексов. -Он содержит несколько уровней (от простого it сяатоиу). Специфика, связайная с объектом и задачами решаемыми системой,; определяется ее областью применения.- . . . )

Дана классификация ВИИС по следующим признакам: по сложности очитс-мы; по структуре аппаратного обеспечения виртуальных приборов;! по-характеру и степени детализации визуального изображения объекта исследования; по характеру ввода и реализации программы .сценария осуществления эксперимента; по характеру графического представления виртуальных приборов, используемых в системе; . по характеру -.пред-, стаиления модульной структуры системы;' по.временному режиму измерения, обработки и визуализации информации; по характеру использования виис; -■"'-'"

Приведенная классификация :возможных вариантов построения систем делает разработку "виртуального пользовательского интерфейса", достаточно сложной задачей.; . . ■

В данйой главе приводятся результаты разработки лишь отдельных компонент такого инструмента, позволяющих решать:-ряд-частных-,—"йот достаточно часто встречающихся задач.—-"" \

На основании предложенных" принципов построения системы виртуальных приборов и сравнения различных вариантов была разработана, относительно ■ простая методика построения на .ее базе программной системы, позволяющей пользователю скомпановать и графически изобразить средствами компьютера набор используемых измерительных приборов и функциональные связи между ними.

Разработаны основные компоненты системы, позволяющей на начальном этапе, исследования, в соответствии со "сценарием"" проведе-. ния измерительного эксперимента, путем заполнения таблицы связей и функционального использования отдельных приборов, • обеспечить. автоматическое функционирование виртуальной системы в режиме эксплуатации, и не требующей на этом этапе знания языков программирования.-

Показано, что рассматриваемую систему, о точки зрения-методики и сборки-синтеза виртуальной измерительной системы (комплекса),-можно считать . подсистемой САПР автоматизированных систем научных исследований,, обеспечивающей удобный.-пользовательский интерфейс, существенно, сокращающей сроки и затраты процесса конструирования. ■

.'.■;. ' - ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с целями диссертации был проведен комплекс исследований и разработок направленных на повышение эффективности ив-, мерительных устройств и информационно-измерительных.систем. ' .

- и

Основные результаты полученные в работе:

1. На основе .анализа отечественной и зарубежной лигтат/рч показано, что существенное значение имеют м^тролоппескро хгччичч'рг-тики каналов аналоге-цифрового преобразования в лшаг.тег: >.' и*>п\-ме, позволявшие оценивать погрешности результатов дкняадп>*:'"ч:; измерений; а также своевременность разработки впртувдьних пр;к(.'.-роя и систем с использованием ПК с блоками сценки и виауал'ло.-шии тсчрост-ных характеристик результатов "измерений. 3 стечеотг:вняоа литературе эти,вопросы до сих пор практически не рассматривались.

г. Разработан метод определения и визуализации "четрслеппрско- -го коридора" для процесса, намеряемого АПК. Установлено, что для построения данного -коридора требуется определить вавискмосгс пкела эффективных бит от частоты, а такле аддитивную и мультипликативную погрешности.

3. Предложен новый алгоритм определения числа эффектней!!;', сит, не требующий точного знания частоты образцэеого синусоидального сигнала, обладающий абсолютной сходимостью аягоратха. Установлено, что статические аддитивную и мультипликативную погревности, а так»? характеристики АЦК, несущие информацию о форме ФП АПК в диначичес-ком режиме, целесообразно определять с применением статистического (гистограммного) метода, кепельзущего то же оборудование и'образцовый сигнал, что и метод определения ЧЭБ.

4. Разработана методика проведения эксперимента, сформулированы требования к алгоритмическому, программному обеспечении, разработана комплексная программная система "МетроТест" , позволяющие автоматизировать процесс оценки параметров и характеристик АПК.

5. Сформулированы требования к современным средствам визуализации виртуальных приборов и принципы их построения, учитывающие возможность компьютерной реализации органов ' управления и индикации, обеспечивающие оперативное управление измерительными каналами со стороны компьютера, индикация результатов и их точяоетвнк характеристик .в реальном времени измерений. Предложен принцип построения М-приборов с визуализацией динамических погрешностей АЦК, определяемых на основе характеристик, найденных в соответствии с разработанной методикой испытаний АЦК в динамическом режиме.

6. Разработана структура алгоритмического и программного обеспечения "Викад" автоматизации конструирования виртуальных измерительных приборов-и систем. •

7. Предложена общая структура алгоритмического и программного обеспечения, позволяющая: формировать структуру ВИИС, задавать функциональные связи между ее элементами; задавать и реализовывать программы функционирования ВИИС в виде логической и временной последовательности; получать развернутое графическое изображение отдельных функциональных модулей, элементов составляющих ВИИС - вир-

тудльнпх ПрибУрОВ. ' "

Публикации по теме диссертационной работы:

1.~к|л;;асвский В.Н., Круг II.Г. Компьютерная графика в лабора^ терном практикуме по иемерительйой технике // Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях - 92: Tes. дом. науч. конф, г. Москва. 1992. с.106. > '

Г.. Панфилов В. А., Князев А.З., Круг П.Г. Компьютерные• измерительные устройства // Обзорная информация ИНФОРМПРЙБОР, сер. ТС-б, ВЫП.2., 1890, '48 с. ' *

3. Круг П.Г. Еиртуальные измерительные устройства. // Дат-чик-бЗ: Тез. докл. межд. науч. техн. конф. Гурзуф. 1993. с. 44-46.

4. Круг п;г., Панфилов В.А., Шунин М.Ю. Метрологическое обеспечение динамических измерений // Радиоизмерения-91: Тез. докл. на- . уч.техн. ' конф. Севастополь. 1991. .с. 15.

' 5. ёостроккутов Н.Н., . Кузнецов В.П., Тронова И.М., Круг П.Г., ; "Преобразователи анаюго-цифровые измерительные. Определение характеристик погрешности в динамическом режиме". Методические указания

Ш 2231-92'. Госстандарт РФ, г. Москва. 1992. 1б с. ............

'6. Круг П.Г., Кузнецов Б. А'. Виртуальные, лрйборыг систёшглй-боратории // ЩС-СЕТИ-93: Тез. доклг Х межд. науч. сшп, Санкт-Пе- . тербург. 1993. с. 21. (на англ. языке). ,. .

7. Панфилов В. А; 7 Шунин М.Ю./ Круг П.Г. Динамическая метроло- » гия каналов ввода ЙИС. // КИС-89: Тез. дом. наун. техн. конф. УЛЬЯНОВСК; 1989. с. Б8. , .

8. Круг П.Г. Моделирующая система виртуальных средств измерений и зкепёриментальных исследований //Тез. докл. науч. техн. конф. г. Киев. 1992. с.17. . .

Типография МЭИ. КрлснокаэзрмеиПпя, 13.