Měřicí karty – jak správně vybírat
Měřicí karty se v technické praxi používají již déle než patnáct let. Výběr správného typu pro konkrétní použití je však dosud stále obtížnější, než by si uživatelé i někteří výrobci přáli. V článku jsou z tohoto pohledu nastíněny základní funkční možnosti měřicích karet i některé jejich záludnosti.
Funkce měřicích karet
Měřicí karty, neboli karty pro sběr dat (anglicky Data Acquisition – DAQ), slouží pro přímé měření, popř. generování signálu počítačem. Tím se liší např. od karet realizujících rozhraní GPIB (General Purpose Instrumentation Bus, IEEE 488), které pouze komunikují se specializovaným měřicím přístrojem.
Měřicí karty většinou obsahují jeden či několik z těchto typů funkcí:
- analogové vstupy,
- analogové výstupy,
- digitální linky,
- čítače anebo časovače.
Karty s více než jedním z uvedených typů funkcí se označují jako multifunkční.
V dalších odstavcích jsou měřicí karty rozděleny podle typu použité sběrnice. Rovněž jsou zde podrobněji popsány již zmíněné typy jejich funkcí i problematika softwaru a příslušenství.
Rozdělení karet podle sběrnice
Vzhledem k rozšíření osobních počítačů (PC) se sběrnicí PCI převládá tato sběrnice i u měřicích karet. U výkonnějších systémů je ideální volbou sběrnice PXI (PCI eXtension for Instrumentation), která díky zvláštním vodičům pro přenos časování umožňuje synchronizovat několik měřicích karet (a tím rozšířit počet kanálů) nebo vytvářet větší systémy se současným řízením pohybu či snímáním obrazu. Stále se ale vyrábějí a prodávají i karty pro sběrnici ISA, a to zejména pro PC v průmyslovém provedení. Pro mobilní použití jsou vhodné karty ve formátu PCMCIA, použitelné v notebooku, a v současné době dokonce i v kapesních počítačích typu PDA. Stále oblíbenější jsou i externí zařízení připojovaná k počítači prostřednictvím sběrnic USB nebo FireWire (obr. 1). Při volbě sběrnice a karty je vhodné se zamýšlet nejen nad okamžitou potřebou, ale i nad případnými budoucími požadavky.
Například výrobce měřicího stanoviště pro autoservisy určitě dá přednost kartě PCI, jejíž výrobce nabízí i kompatibilní ekvivalent v provedení PCMCIA nebo USB, aby bylo možné vyvinout i zařízení v přenosné verzi bez nutnosti přepisovat software. Stejně tak nelze podceňovat schopnost výrobce v budoucnu sledovat trendy vývoje počítačových operačních systémů a sběrnic.
Analogové vstupy
Nejdůležitějšími parametry analogových vstupů jsou jejich počet, rozlišení, maximální vzorkovací frekvence a napěťové rozsahy. Rozlišení je sice v principu dáno použitým A/D převodníkem, ovšem ostatní zařazené obvody mohou výsledné vlastnosti karty zlepšit i zhoršit až o několik tříd. Není proto vhodné soustředit se pouze na jediné číslo, ale naopak je třeba důkladně se seznámit se všemi údaji ohledně přesnosti karty. Zatímco u levných karet výrobce uvádí pouze počet bitů nebo jednoduché charakteristiky typu „přesnost lepší než 1 %, INL < 1,5 LSB„, dokumentace ke kvalitním kartám většinou obsahuje také složky chyb (offset, chyba z údaje a šum pro každý rozsah) a často i jejich závislost na teplotě. Má-li být karta použita ke skutečně závaznému měření, určitě bude žádoucí získat spolu s ní i její kalibrační certifikát, údaj o době jeho platnosti a informace o provádění dalších kalibrací. Díky poklesu cen A/D převodníků s větším rozlišením (viz obr. 2) lze v současné době pozorovat přechod od osmibitových a dvanáctibitových karet ke kartám šestnáctibitovým. S menším rozlišením se lze nyní setkat jen u nejrychlejších (osciloskopických) karet.
Nebezpečí komplikací může být skryto i v údaji o maximální vzorkovací frekvenci. Často se uvádí maximální rychlost A/D převodníku, ale zejména levnější karty přepínají do jednoho převodníku všechny své vstupy. Má-li taková karta převodník s maximální vzorkovací frekvencí 200 kHz, získá se při měření deseti kanálů pouze 20 000 vzorků za sekundu na každém z nich. Navíc mezi odměry v jednotlivých kanálech bude zpoždění nejméně 5 s. Těmito nedostatky netrpí karty s plnohodnotným měřicím řetězcem (vstupní zesilovač a A/D převodník) pro každý kanál. Ty ale bývají podstatně dražší. Některé karty mívají na vstupu filtr typu dolnofrekvenční propusti, který zabraňuje porušení vzorkovacího teorému a brání zkreslení frekvenčního spektra signálu (anti-aliasing). Spolu s maximální vzorkovací frekvencí je vhodné zjistit i krok nebo způsob vytváření nižších frekvencí, popř. možnost taktování externím signálem. Karty používající dělič kmitočtu totiž nedovedou vytvořit libovolnou vzorkovací frekvenci (např. 44,1 kHz, často vyžadovanou v akustice).
U napěťových rozsahů je třeba si zkontrolovat, nejen zda měřený signál nepřesahuje možnosti karty, ale i zda bude její měřicí rozsah dobře využit. Zatímco některé karty mají osm i více softwarově přepínatelných rozsahů, jiné karty mají jen jeden rozsah. Je-li třeba měřit signál v rozmezí 0 až 2 V, určitě by měla dostat přednost karta s volitelným unipolárním rozsahem 0 až 2,5 V před kartou s jediným rozsahem ±10 V. Při stejném rozlišení A/D převodníku totiž bude u první z karet osmkrát menší kvantizační šum. Kromě napěťových rozsahů je důležitým ukazatelem i míra ochrany vstupů karty proti přepětí.
Analogové výstupy
U analogových výstupů se hodnotí tytéž parametry jako u vstupů. Některé karty mají výstupy pouze statické, na které lze vyslat vždy pouze jednu hodnotu, a rychlost změny je tudíž dána pouze chováním softwaru. To u běžných operačních systémů znamená velkou nejistotu. Naopak karty s hardwarově časovanými výstupy a vyrovnávací pamětí dokážou přesně generovat i poměrně rychlé průběhy a často mohou nahradit specializované generátory (při měření frekvenčních charakteristik apod.). U analogových výstupů se lze méně často než u vstupů setkat s přepínatelnými rozsahy. Co se týče napěťových výstupů, nejčastěji se používá rozsah ±10 V, v průmyslu se mnohdy používají karty s proudovými výstupy (0 až 20 nebo 4 až 20 mA). Rozlišení se pohybuje mezi 12 a 16 bity; u specializovaných karet (audioměření) může být až 24 bitů. Zejména u statických výstupů bývá na jedné kartě větší počet kanálů (až 32).
Digitální linky
Digitální linky má alespoň jako „vedlejší produkt„ většina měřicích karet. Někdy jsou linky obousměrné (směr vstup či výstup se přepíná softwarově), ovšem zejména u izolovaných (galvanicky oddělených) linek je směr signálu pevně dán. Multifunkční karty často mají jen osm digitálních linek, zatímco specializované karty jich nabízejí až 96 i více. Neizolované linky používají úrovně TTL a CMOS, opticky izolované umožňují spínat a snímat napětí do 60 V, popř. i více. U karet nižší výkonnostní kategorie jsou vstupy a výstupy statické, tj. dovolují přečíst nebo vyslat vždy jen jediný stav. I u těch nejjednodušších karet se ale najde prostor pro inovace. Jedním z příkladů je nová řada digitálních I/O karet firmy National Instruments. Díky architektuře založené na programovatelném hradlovém poli (Field Programmable Gate Array – FPGA) dokáže i jednoduchá levná karta vykonávat pokročilé funkce, důležité zejména v průmyslových aplikacích: nastavitelný stav každé linky ihned po zapnutí PC, detekce změny stavu na vstupech (tj. není nutné stav vstupu testovat ve smyčce), programovatelné filtry pro omezení zákmitů kontaktů nebo rušivých impulsů na vstupech a časovač (watchdog) pro nastavení předem definované binární kombinace v případě, že pauza v komunikaci aplikačního programu s kartou je delší, než je určeno.
Pro rychlé delší záznamy nebo generování digitálních posloupností jsou určeny speciální karty (tzv. digital waveform generator) s hardwarově časovanými digitálními linkami a vyrovnávací pamětí o velikosti až několik megabajtů. Takové karty lze použít jako analyzátor logických stavů, rychlý binární generátor (k programování pamětí apod.), nebo jako univerzální rozhraní pro digitální komunikaci.
Čítače/časovače
Poslední funkcí (a součástí), se kterou se lze u měřicích karet setkat, jsou čítače a časovače. Ty se používají k počítání impulsů, dělení frekvencí nebo vytváření signálů s požadovanou frekvencí a pro připojení inkrementálních čidel. U čítačů je rozhodujícím parametrem délka registru (maximální hodnota registru, po jejímž dosažení čítač přeteče a začne opět čítat od nuly). Ta se většinou pohybuje mezi 24 a 32 bity. Dále se uvádí i maximální frekvence, kterou čítač dokáže zpracovat, a popř. stabilita použité časové základny.
Multifunkční karty
U multifunkčních měřicích karet bývá udávána maximální rychlost každé části karty zvlášť. Při použití analogového výstupu i vstupu současně (např. pro změření přenosu obvodu apod.) se uživatel k maximálním udávaným hodnotám nemusí ani zdaleka přiblížit. Tato situace se může vyskytnout zejména u karet s pouze jedním kanálem pro přímý přístup do paměti (Direct Memory Access – DMA), který je nejrychlejším způsobem přenosu dat po sběrnici PCI. Má-li karta tento kanál jen jeden, zabere ho např. operace s analogovým vstupem a analogový výstup se musí spokojit s přenosem dat pomocí přerušení. To je ale mnohonásobně pomalejší. Pro takovéto úlohy je tedy nutné vybrat kartu s několika kanály DMA. Často se však stává, že tento údaj v dokumentaci ke kartě chybí.
Ovladač a software
I karta s nejdokonalejším hardwarem je nepotřebná, není-li pro ni k dispozici kvalitní ovládací program (ovladač, driver). Zatímco před několika lety stačil popis registrů karty, současné ovladače nabízejí podstatně víc. Kromě toho hlavního – programovacího rozhraní pro ovládání karty v různých jazycích (LabVIEW, C, C++, C#, Visual Basic atd.) a pod různými operačními systémy (Windows, Linux) – často obsahují i programové nástroje pro nastavení a otestování karty a její kalibraci. Zejména k dražším kartám některé firmy přibalují vedle ovladače i jednoduchý aplikační software (zapisovače dat apod.).
Ovladač karty zásadním způsobem ovlivňuje nejen pracnost tvorby aplikačního softwaru – s kvalitním rozhraním pro uživatelské programy (Application Program Interface – API) a funkcemi na vyšší úrovni je práce podstatně snazší než při komunikaci s kartou na úrovni registrů –, ale i rychlost běhu programu. Zejména při přenosech jednotlivých vzorků (u regulačních smyček) totiž rychlost programu nezáleží ani tak na rychlosti A/D převodníku, ale spíše na optimalizaci ovladače. Stejně tak se může nepříjemné překvapení objevit při přístupu do různých částí multifunkční karty (měření analogového průběhu a současně změna stavu digitálního výstupu). Při měření delšího časového úseku signálu (např. 0,5 s) bývá ovladač často zaneprázdněn pouhým čekáním na ukončení měření a vykonat jinou činnost, např. změnit hodnotu binárního výstupu, lze až poté. U většiny ovladačů je tento problém neřešitelný, nebo je nutné použít pokročilé metody programování (využití zpráv a přerušení). Ovladač NI-DAQmx od firmy National Instruments je pravděpodobně prvním ovladačem s jádrem s několika vlákny pro provedení programu (multithreading). Úlohy tedy automaticky rozdělí na různá vlákna a vykonává je současně. Uživatel se tak o kolizi úloh vůbec nedozví, a proto ušetří spoustu hodin práce.
Při psaní programu je vhodné využít i příklady instalované s ovladačem karty nebo dostupné na internetu. Velkým přínosem je, podaří-li se najít ukázkový program, který řeší podobnou úlohu, v právě používaném programovacím jazyce. Naopak absence takových příkladů znamená více programátorské práce, a navíc svědčí i o rozšíření této karty mezi uživateli a o úrovni technické podpory poskytované výrobcem.
Podporované příslušenství
Ačkoliv současné karty umožňují realizovat velké množství možných nastavení, rozsahů a vlastností, velmi často se uplatní i další příslušenství. Může jít o pasivní svorkovnice nebo různé předřadné obvody pro úpravu signálu, přepínače a vzorkovací obvody (sample&hold). Zatímco jednoduché úlohy (napájení odporových snímačů, filtrování a předzesilování signálu) lze řešit libovolným obvodem, na přepínání předřazeného přepínače již musí být karta připravena. Jestliže navíc s tímto příslušenstvím počítá i ovladač a umožňuje jeho snadné konfigurování, nebo ho dokonce automaticky rozpoznává, bude psaní aplikačního programu mnohem snazší.
Závěr
Měřicí karty se staly běžnou součástí automatických měřicích systémů. Při menších požadavcích velmi dobře poslouží jako náhrada měřicích přístrojů vyšších nároků (digitální multimetr, osciloskop, měřič vibrací atd.) i průmyslových převodníků. Přestože funkční možnosti nabízené těmito kartami se stále rozšiřují, přičemž jejich cena klesá, je třeba měřicí kartu pečlivě vybírat. Nejde totiž o komoditu, kterou lze popsat dvěma či třemi čísly. Důležité je věnovat pozornost i ovladači a dostupným příkladům. Jen tak bude moci uživatel těžit z rychlosti, přesnosti a flexibility moderních měřicích karet.
Ing. Radim Štefan,
National Instruments Czech Republic spol. s r. o.
National Instruments Czech Republic spol. s r. o.
Národní třída 19
110 00 Praha 1
tel.: 224 235 774
fax: 224 235 749
e-mail: ni.czech@ni.com
http://www.ni.com
|