МЕТОДЫ и средства РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Все программные средства управления измерительными приборами можно разделить на пакеты программируемого типа и пакеты, управление которыми осуществляется посредством меню. Пакеты программируемого типа требуют введения конкретных команд, хотя это могут быть высокоуровневые команды на широко используемых компьютерных языках: Паскаль, Си и др. Пакеты с управлением при помощи меню предусматривают выбор пользователем команд и функций из меню или ряда пиктограмм, воспроизводимых на экране. Такие пакеты обычно не имеют листинга кода в качестве конечного продукта. Они отличаются простотой использования и не требуют опыта программирования, однако их функциональные возможности обычно ограниченные. По гибкости они существенно уступают пакетам программируемого типа.

Имея в своем распоряжении пакет программируемого типа, предусматривающий создание кода программы, оператор может легко приспособить тест-программу для различных применений. Если код компилируется, то программа не будет ограничиваться какой-то одной рабочей средой выполнения. Кроме того, компилируемая программа характеризуется гораздо меньшими непроизводительными расходами и поэтому работает быстрее.

Главное достоинство унифицированных пакетов управляющих программ состоит в том, что они освобождают инженеров от необходимости самим решать задачи низкоуровневого управления контрольно-измерительными приборами. Стандартный пакет программных средств предусматривает программирование в удобной среде пользовательского интерфейса, содержит библиотеки контрольно-измерительных приборов, устройств и функций, а также обеспечивает выполнение математической обработки результатов измерений и представление данных в виде графиков, гистограмм и таблиц. В современных пакетах реализованы методы графического программирования. Компьютер используется не только для матема­тического моделирования или обработки информации, но также для приема, обработки и анализа сигналов от реальных физических объек­тов и управления этими объектами.

За последнее время на рынок представлено много новых или усовершенствованных пакетов программ. Кроме повышения быстродействия, такие пакеты обычно отличаются тем, что содержат дополнительные средства поддержки и допускают работу в различных операционных системах.

Программные средства позволяют:

· получать данные от внешних устройств и сменных модулей ПК;

· управлять интерфейсом и внешним оборудованием (GPIB, VXI);

· отображать данные в виде графиков, текстов и объектов;

· использовать активные средства управления для расширения функциональных возможностей;

· связываться с другими программами Windows;

· сохранять данные в различных форматах (двоичном, ASCII);

· анализировать и обрабатывать данные;

· создавать рабочие программы и пользовательские интерфейсы;

· обращаться к любому модулю через Интернет.

Программы сбора данных и их анализа, позволяют разбивать полученный сигнал на отдельные сегменты, анализировать и строить графики.

Программные модули обработки данных обеспечивают:

· алгебраические преобразования;

· интегрирование и дифференцирование функций;

· измерение импульсных характеристик;

· статистический и корреляционный анализ;

· прямое и обратное преобразование Фурье;

· цифровую фильтрацию;

· интерполирование данных;

· формирование файлов данных.

Типовая структура пакета:

1. Библиотека общих подпрограммсодержит модули связи с приборами, подключенными к универсальной шине интерфейса, модули записи и чтения данных с диска, а также вычисления параметров сигналов. Подпрограммы написаны на Ассемблере, что упрощает прием и пересылку данных. Имеется справочное руководство для пользователя. Оно содержит примеры программ работы и особенно полезно, когда в составе оборудования входят приборы различных серий и типов.

2. Библиотека обработки и вывода сигналов обеспечивает сохранение и вывод информации на экран монитора. Настройка программы облегчается обширной помощью с использованием функциональной клавиши "HELP". Библиотека функций предоставляет оператору готовые программные модули.

3. Библиотека сбора информациисодержит подпрограммы получения данных с приборов и представления их в формате, который необходим для использования этих данных.

4. Библиотека графики выводит информацию независимо от типа прибора, используя при этом драйвер из системы программного обеспечения графических средств. Этот драйвер расширяет диапазон применяемых принтеров и плоттеров, обеспечивает взаимодействие с высокоразрешающим дисплеем. Библиотека дает возможность пользователю управлять параметрами представления данных:

· логарифмическая или линейная зависимость;

· автоматическое или ручное масштабирование;

· установка меток;

· установка эталонных кривых.

На рис. 3.7 представлен спектр программ для испытаний, контроля и измерений. На нижнем уровне расположено готовое к применению прикладное ПО, которое можно использовать без каких-либо доработок. На более высокой ступени располагается ПО, требующее модернизации. Генераторы тестов позволяют выбрать и сконфигурировать в пределах имеющейся базы испытательные процедуры. Библиотеки прикладных программ обеспечивают выбор готового ПО, наиболее подходящего для решения конкретной задачи. Если прикладная программа разработана по техническим условиям заказчика, она является наиболее оптимальной, ее гибкость выше, но одновременно увеличиваются затраты на программирование.

Рис. 3.7. Спектр ПО

Разработка программных средств автоматизированных контрольно-измерительных систем – трудоемкий и дорогой процесс. Чтобы сократить время на разработку программного обеспечения, необходимо выбрать соответствующие средства и методологию. Лучший способ – это создавать модульные программы, компоненты которых можно будет использовать потом для новых систем контроля.

Все возрастающее количество готовых прикладных программ, библиотек подпрограмм и систем управления базой данных затрудняет выбор. Если нет готового к работе оборудования, которое сразу может использоваться для решения поставленной цели или которое может быть модифицировано, тогда необходимо определить, какие части необходимого оборудования имеются на рынке и как эти части затем объединить.

Готовые прикладные программы обычно очень хорошо применяются для решения только тех задач, для которых они были созданы, но они не всегда полностью отвечают поставленным задачам. Необходимо решить, можно ли обеспечить модификацию, расширение системы или ее перенастройку. Модифицируемое ПО предполагает наличие возможностей расширения функций без серьезной доработки.

Пакеты унифицированных генераторов тестовых процедур позволяют создавать рабочую программу из готовых модулей, соединяя их в среде, удобной пользователю. Библиотеки универсальных программ дают пользователю еще большие возможности по применению готовых программ обработки и представлению информации, но они не могут решить все уникальные задачи заказчика. Только ПО, созданное по индивидуальным требованиям, позволяет решить проблемы в оптимальном варианте.

Системные контроллеры

В качестве системных контроллеров шины КОП могут использоваться серийные и промышленные ПК, а также специализированные контроллеры. По мере развития компьютерной промышленности возникает проблема выбора оптимального контроллера СКИМ. Его характеристики, архитектура, возможности расширения, гибкость операционной системы, программное обеспечение – все это играет важную роль. Чтобы добиться успеха в автоматизации измерений, необходимо точно оценить функции аппаратуры, операционной системы и программного обеспечения. Автоматизированная система предъявляет требования к конструкции и конфигурации измерительных приборов, к устройствам коммутации и управления. Так как потребности со временем могут меняться, то используемый контроллер должен быть как можно более гибким. Эффективность контроллера напрямую связана с его пропускной способностью по входу и выходу. Имеется в виду не просто считывание данных с прибора, но и передача их через интерфейс в направлении к адресату. Когда пропускная способность определена, то необходимо рассмотреть скорость обработки и анализа данных. Скорость процессора обычно вторична по отношению к характеристикам входа/выхода.

При выборе контроллера обращают внимание на следующие параметры и характеристики:

- компановка и габариты;

- стоимость и эксплуатационные требования;

- быстродействие и операционная система;

- программное обеспечение и интерфейсы;

- гибкость и возможность расширения.

Уменьшение физического размера и переоборудование контроллеров в малые формы является современным направлением в компьютерной промышленности. Самыми важными задачами тестиpования и измерения являются ввод информации в контроллер и пересылка команд к приборам и устройствам. Скорость системы будет зависеть от качества управления через интерфейс, который встраивается в контроллер или применяется как добавочное устройство.

На задней панели компьютеров имеются разъемы, к которым можно подключить дополнительные узлы. Контроллеры обычно имеют от двух до восьми слотов для дополнительной памяти, расширения входа/выхода или для потребностей сопряжения. Объединительная плата является внутренней частью контроллера. Ее интерфейс и построение определяют архитектуру компьютера и основные его возможности.

Интерфейс IEEE-488, известный как HP-IB или GPIB, может устанавливаться на всех видах оборудования. Интерфейс RS-232 также подходит ко многим конфигурациям. Он обычно используется для связи с удаленными модулями, принтерами и графопостроителями. Другие интерфейсы не являются определяющими при выборе контроллера, но они могут стать такими, если возникнет необходимость в большей гибкости.

Наиболее важной составляющей использования контроллера является программное обеспечение и операционная система. Выбор операционной системы создает условия программирования. Многие инженеры сначала выбирают программное обеспечение, а затем операционную систему.

Системные контроллеры, выпускаемые различными фирмами, обладают многими общими характеристиками, обеспечивающими специфические контpольно-измеpительные функции.

Системные контроллеры обладают наиболее характерными особенностями, необходимыми для работы с измерительными приборами и системами. Приведем их основные характеристики:

- совместимость со стандартами;

- слабое излучение помех;

- возможность подключения дополнительных плат расширения;

- цветная графика;

- встроенный монохромный монитор с программируемыми клавишами и возможностью отключения программным путем;

- стандартный стоечный корпус;

- программируемая клавиатура;

- стационарный и сменный жесткие диски;

- контроллеры портов ввода/вывода;

- ТТL – интерфейс входа/выхода (I/O);

- аналоговый I/O интерфейс.

Сменный жесткий диск имеет наряду с типичными признаками жесткого диска (малое время выборки) важное преимущество: с помощью ручки возможна его легкая замена. Это упрощает защиту данных и инсталяцию различного программного обеспечения.

Имеющийся встроенный монитор при измерениях, для которых допустимы предельно малые электромагнитные излучения помех, может быть выключен программным путем. Параллельно с встроенным монитором можно подключать внешний монитор.

В распоряжении пользователя имеется пять мест установки совместимых интерфейсных или специальных плат.

Клавиатура имеет, кроме всех функций стандартной клавиатуры, роликовую клавишу, при вращении которой генерируются цифровые коды четырех клавиш управления курсором. Особая защита клавиатуры предусмотрена в том случае, если требуется малый уровень излучения помех.

Программируемая встроенная клавиатура может быть установлена на переднюю панель. С ее помощью можно запрограммировать любую последовательность знаков для дальнейшего ввода нажатием одной клавиши. Клавиатура предусмотрена для обслуживания часто используемых программ, особенно при использовании СКИМ в стационарном режиме. Возможна замена функций внешней клавиатуры. С помощью поставляемых шаблонов клавиатуру можно маркировать индивидуально в соответствии с требованиями пользователя. Встроенная клавиатура может программироваться с помощью меню путем вызова специальной конфигурирующей программы. Перепрограммирование клавиатуры возможно в ходе выполнения программ.

Интерфейс входа/выхода TTL необходим для коммутации и опроса внешних цифровых управляющих линий и поставляется в различных исполнениях.

Программное обеспечение

Современные языки программирования являются удобной, управляемой с помощью меню средой со всеми необходимыми инструментами для быстрой разработки компактных и быстроработающих программ. Имеются редакторы проверки синтаксиса, режимы немедленного выполнения программы и интегрированный оконный отладчик. С помощью обучающей программы и экспертной системы можно за короткое время освоить эту программную среду. Языки обеспечивают модульное программирование (с процедурами, функциями, локальными переходами, структурами данных). Модули, написанные на QBasic можно вставлять в языки Си, Паскаль, Ассемблер и Фортран фирмы Microsoft. Расширения для задач измерительной техники позволяют достаточно просто программировать интерфейсы (IEС-шинный драйвер, цифровой и аналоговый интерфейсы ввода/вывода). Тестирование программ осуществляет отладчик, который использует оконный режим.

Современный язык высокого уровня содержит все элементы для структурного программирования, обеспечивает гибкость форматов данных и высокую скорость вычислений. Поставляемая функциональная библиотека языка Си имеет более чем 400 функций, среди которых: управление памятью, обработка данных, управление массивами, графика, ввод и вывод массивов и знаков, арифметика с целыми числами и числами с плавающей запятой, алгоритмы поиска и сортировки, обращение к MS-DOS и программный контроль. Для быстрой разработки программ поставляется интерактивная среда программирования, ориентированная на работу с окнами. Напимер, помощью программной среды LabTest неопытный пользователь (не имеющий навыков программирования сложных приборов) может оценивать измеряемый результат, представлять его графически, а также моделировать измерительный прибор. LabTest рисует на экране элементы регулировки и индикаторы приборов, подключенных к шине, после чего на экране изображается передняя панель прибора. С помощью мыши или клавиатуры можно управлять моделируемыми приборами. LabTest имеет обширные библиотеки процедур и функций, предназначенные для профессиональных программистов.

Вместе с контроллером могут поставляться различные прикладные программы, в том числе:

1. Модули управления и обмена данными с приборами, связи со вторым ПК. Кроме пересылки данных, возможен запуск программ на внешнем ПК.

2. Модули цифровой обработки сигналов. Изменяющимся сигналом можно манипулировать как в области частот, так и в области времен.

3. Модули работы с графикой. Они представлены двумерной и трехмерной графикой, диаграммой Смитта и полярной диаграммой, а также удобными стандартными графическими программами с автоматическим выбором масштаба.

4. Модули поддержки дополнительных устройств, в том числе средств аналогового и цифрового ввода/вывода.

5. Библиотеки модулей КОП.

Все программы легко можно приспособить для разнообразного применения в измерительной технике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проектирование, изготовление и эксплуатация современного ра­диоэлектронного оборудования невозможны без наблю­дения за изменением его состояния в ходе технологического процесса изготовления или непосредственной работы. Для организации такого наблюдения применяют компьютерные СКИМ, среди которых сегодня наиболее популярны приборно-модульные системы (ПМС), подробно рассмотренные в данной книге. Переход от «ручных» средств контроля к автоматизированным системам обусловлен рядом причин, в частности повышением требований к производительности и достоверности, а также развитием средств вычислительной техники, позволяющих эффективно решать задачи, свя­занные с автоматизацией процесса контроля и испытаний.

Внешняя приборно-модульная система автоматического контроля представляет собой автономный информационно-измерительный комплекс, который пространственно отделен от контролируемой аппаратуры и включает в се­бя приборы, измерительные преобразователи, коммутаторы и согласующие устройства. Уменьшение стоимости и времени разработки СКИМ предполагает использование унифицированных программных и аппаратных модулей, которые можно совмещать друг с другом. Как правило, используются серийные приборы, имеющие в соответствии с ГОСТ 26.003-80 интерфейс типа “Канал общего пользования” (КОП), но могут применяться и другие интерфейсы. Унификация позволяет создавать комплексы аппаратно-программных средств гибкие, перепрограммируемые и универсальные. Особое значение имеет программное обеспечение, позволяющее легко перепрограммировать СКИМ, поэтому современный радиоинженер должен понимать принципы взаимодействия в системе компьютер – приборы, а также уметь изменять режимы и программу испытаний.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 26.003-80. Система интерфейса для измерительных устройств с байт-последовательным, бит-параллельным обменом информацией. – М.: Изд-во стандартов. – 1985. – 110 с.

2. Гель, П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс: пер. с фр. / П. Гель. – 2-е изд., испр. – М.: ДМК, 1999. – 144 с. – ISBN 5-89818-026-5.

3. Мячев, А. А. Интерфейсы средств вычислительной техники: справочник / А. А. Мячев. – М.: Радио и связь, 1993. – 352 с. – ISBN 5-256-00990-7.

4. Поздняков, А. Д. Автоматизация экспериментальных исследований, испытаний и мониторинга радиосистем / А. Д. Поздняков, В. А. Поздняков. - М.: Радиотехника, 2004. - 208 с. – ISBN 5-93108-066-X.

5. Поздняков, А. Д. Автоматизация экспериментальных радиофизических исследований: практикум / А. Д. Поздняков; Владим. гос. ун-т. – Владимир: Ред.-издат. комплекс, 2004. – 128 с. – ISBN 5-89368-474-5.

6. Поздняков, А. Д. Автоматизация радиоизмерений: учеб. пособие / А. Д. Поздняков. – Владимир: ВлГТУ, 1995. – 184 с. – ISBN 5-230-04783-6.

7. Степанов, А. В. Методы компьютерной обработки сигналов и систем радиосвязи / А.В. Степанов, С.А. Матвеев. – М.: СОЛОН – Пресc, 2003. – 208 с. – ISBN 5-98003-031-X.

8. ANSI/IEEE Standard 488.1-1987. IEEE Standard Digital Interface for Programmable Instrumentation. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 345 East 47th St., New York, NY 10017, USA.

9. ANSI/IEEE Standard 488.2-1987. IEEE Standard Codes, Formats, Protocols, and Common Commands. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 345 East 47th St., New York, NY 10017, USA.

10. Chojnacki R. SCPI – helping your productivity // Computer Aided Test Symposium. Hewlett-Packard. 1991. – P. 2-1 – 2-8.

11. Giesenhagen M. Evaluation new approaches to test software development // Computer Aided Test Symposium. Hewlett-Packard. 1991. – P. 5-1 – 5-8.

Учебное издание

ПОЗДНЯКОВ Александр Дмитриевич

ПРИБОРНО-МОДУЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

КОНТРОЛЯ, ИСПЫТАНИЙ И МОНИТОРИНГА

РАДИОАППАРАТУРЫ

Учебное пособие

Редактор И.А. Арефьева

Корректор В.В. Гурова