Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

Měření a řízení po sběrnici USB

číslo 8/2006

Měření a řízení po sběrnici USB

Firma National Instruments představila letos v květnu nový systém CompactDAQ (cDAQ) pro měření s použitím velmi rozšířené počítačové sběrnice USB. Snadné používání, rychlost (USB 2.0 Hi-Speed) a flexibilita předurčují sběrnici USB k použití také v oblasti přenosných prostředků pro měření a řízení. Nové polovodičové součástky, modulární provedení a flexibilní software umožňují rychle a přesně měřit při zachování malých rozměrů měřicího zařízení. Díky kombinaci těchto vlastností je systém cDAQ jednoduchý a levný jako zapisovač při přesnosti a rychlosti umožňujících měřit elektrické signály „ve velkém„ a téměř kdekoliv – v laboratořích, v terénu, na výrobních linkách v továrních provozech apod.

Obr. 1.

Obr. 1. Zařízení CompactDAQ o rozměrech 250 × 90 × 90 mm skrývá v útrobách měřicí systém pro připojení až 256 snímačů

Flexibilní dodávaný software dovoluje zkonfigurovat systém cDAQ jako prostý zapisovač pro jednoduchá měření i vytvořit na jeho základě plně automatizovaný měřicí či řídicí systém. Jedna základní deska systému pojme osm modulů s celkem 256 kanály pro měření elektrických, mechanických, akustických a jiných fyzikálních veličin. Přesné a bezpečné měření je zajištěno samostatně izolovanými moduly se zabudovanými vlastními obvody pro úpravu signálů a A/D převodníky, u některých modulů použitými i pro jednotlivé kanály (obr. 1).

Přednosti sběrnice USB

Rozhraní USB umožňuje značně zjednodušit konstrukci měřicích a zkušebních přístrojů i práci s nimi. Díky vlastnostem plug and play jsou základní deska i jednotlivé moduly automaticky rozpoznány a nastaveny ihned, jakmile se připojí kabelem USB. USB 2.0 Hi-Speed nabízí přenos dat rychlostí až 60 MB/s. Je tedy až 40krát rychlejší než předchozí USB 1.1 a až pětkrát rychlejší než Ethernet 100-BaseT u většiny PC (obr. 2). Dosahovaná šířka přenosového pásma je dostatečná pro přenos dat do PC i z PC, a odpadá tak potřeba dříve často nutné vyrovnávací paměti (buffer).

Obr. 2.

Obr. 2. Rozhraní Hi-Speed USB je 40krát rychlejší než USB 1.1 a má 4,8krát větší šířku pásma než 100 Mb Ethernet

Firma National Instruments vyvinula jako náhradu přímého přístupu do paměti (DMA), obvyklého pro sběrnice PCI a PXI, metodu rychlého přenos dat po USB. Díky použití této metody dosahuje cDAQ bezprecedentní schopnosti současně přenášet vzorky analogových vstupních a výstupních signálů rychlostí až 3,2 MB/s a digitální I/O s frekvencí až 10 MHz.

Důkladná izolace modulů

Většina modulů je vybavena izolací, která zabrání zničení základní desky, dalších modulů i připojeného počítače při případném elektrostatickém výboji (ESD), přepětí v napájení apod. Izolace je provedena digitálními oddělovači velikosti čipu místo obvyklých optočlenů. Digitální oddělovače využívají rychlé obvody CMOS a miniaturní transformátorky, které zmenšují rozměry i spotřebu a snižují cenu. Většina modulů I/O má krátkodobou izolační odolnost do 2 300 V a trvalou do 250 V, vyjádřeno v efektivních hodnotách napětí.

Tab. 1. Moduly pro systém National Instruments CompactDAQ (stav ke 31. 5. 2006)

Funkce
modulu

Typ signálu/rozlišení

Typové označení

Kanály

Způsob připojení

Analogový
vstup

termočlánek/24 bitů

NI 9211

4 DI

šroubovací svorky

IEPE (akcelerometr, mikrofon)/24 bitů

NI 9233

4 SE1)

konektor BNC

univerzální (±200 mV až ±10 V)/16 bitů

NI 9205

32 SE1)

pérové svorky/Canon 37

univerzální s izolací 600 V DC/16 bitů

NI 9206

16

pérové svorky

současné vzorkování/16 bitů

NI 9215

4 DI

šroubovací svorky/BNC

velká přesnost (±80 mV)/24 bitů

NI 9211

4 DI

šroubovací svorky

můstková zapojení/24 bitů

NI 9237

4 DI

RJ50

Analogový
výstup

univerzální/16 bitů

NI 9263

4 SE1)

šroubovací svorky

Digitální
vstup

obousměrné linky 5 V TTL

NI 9401

8

konektor Canon 25

24 V sink

NI 9421

8

šroubovací svorky/Canon 25

Digitální
výstup

obousměrné linky 5 V TTL

NI 9401

8

konektor Canon 25

24 V source

NI 9472

8

šroubovací svorky/Canon 25

Relé

elektromechanická relé (SPST)

NI 9481

4

šroubovací svorky

Čítač,
generátor
pulsů

čítač/časovač/PWM/generování TTL

NI 9401

8

konektor Canon 25

PWM/generování pulsů (24 V)

NI 9472

8

šroubovací svorky/Canon 25

1) společná zem (single ended – SE)

Modularita a přímé připojení

Vedle běžných modulů s 24bitovým rozlišením pro měření statických signálů, jako jsou stejnosměrné elektrické napětí a teplota, existují i moduly analogových výstupů a relé pro řízení akčních členů. Pro měření dynamicky se měnících fyzikálních veličin (zvuk, vibrace, tlak) a přechodových elektrických signálů je možné využít i speciální modul se vzorkovací frekvencí 50 kHz na kanál. Celkem bylo ke konci května 2006 k dispozici jedenáct různých modulů a další se připravují. Rychlost hardwarově taktovaných digitálních linek I/O je až 10 MHz, a proto je lze využít i jako logický analyzátor a pro testování smíšených signálů. Moduly lze přidávat i za chodu systému (hot swap) a průběžně tak měnit konfiguraci systému podle potřeby.

Obr. 3.

Obr. 3. Měřicí moduly mají konektory typu odpovídajícího snímači, zabudovanou úpravu signálů a A/D převodník

Každý měřicí modul je vybaven konektorem pro připojení signálů, obvodem pro úpravu signálu a A/D převodníkem. V porovnání s měřicími systémy skládanými ze samostatných komponent propojených kabely se tak zjednodušuje a zrychluje zapojování signálů a vylučují se potenciální zdroje chyb či šumu. Typ konektoru vždy odpovídá předpokládanému použití modulu: např. modul s napěťovými vstupy je vybaven šroubovacími svorkami a modul pro měření dynamických signálů má konektory BNC, které jsou pro tento typ měření nejvhodnější s ohledem na obvyklé standardy a eliminaci rušení (obr. 3).

Flexibilní software

Součástí dodávky systému cDAQ je i jednoduchý zapisovací program pro rychlá měření a prohlížení naměřených dat. Po instalaci ovladačů je systém ihned připraven k použití bez nutnosti cokoliv programovat. Po připojení systému cDAQ k rozhraní USB se na obrazovce PC otevře okno umožňující ihned začít měřit a zapisovat, popř. měnit nastavení modulů. Na CD se dodává ovladač NI-DAQmx, který umožňuje systém cDAQ programovat z prostředí National Instruments LabView, LabWindows/CVI, Microsoft Visual Studio .NET a Visual Basic 6.0. Součástí ovladače je i jednoduchý ovládací panel pro nastavení a ověření funkce zařízení a také průvodce DAQ Assistant. Ovladač NI-DAQmx podporuje několikavláknové zpracování úlohy (multithreading) i kompresi dat.

Více kanálů, menší rozměry

Prostor na stole je omezený a měřicí systém s mnoha měřicími a řídicími kanály obvykle zabere hodně místa. Přístroj CompactDAQ s až 256 kanály má rozměry jen 250 × 90 × 90 mm a hmotnost menší než 1 kg.

Díky malým rozměrům a připojení přes rozhraní USB je CompactDAQ ideálně vhodný k měření v terénu při použití přenosného počítače. S jedenácti různými typy modulů a dokonalou izolací před vnějšími elektrickými vlivy je skutečně velmi efektivním měřicím a řídicím systémem.

Ing. Pavel Kmit,
National Instruments
(Czech Republic), s. r. o.

National Instruments Czech Republic, spol. s r. o.
Národní třída 19/949
110 00 Praha 1
tel.: 224 235 774
fax: 224 235 749
e-mail: ni.czech@ni.com
http://www.ni.com/czech