Лекция 5 Применение LabVIEW при проектировании приборных

1. Параметрический анализ схемы
Давайте рассмотрим преимущества виртуальных приборов на примере разработки
цифровых фильтров в LabVIEW с библиотекой Digital Filter Design. Основным
преимуществом ВП является интерактивность – вы сразу видите результат при изменении
параметров системы.
Первый шаг в проектировании – определение нужного типа фильтра: низких или
высоких частот, полосовой, с конечной (КИХ) или бесконечной (БИХ) импульсной
характеристикой, необходимо определить частоту оцифровки и требуемый отклик
фильтра при расчетах с плавающей точкой. На рисунке 1 приведен интерфейс настройки
классических фильтров: Баттеруорта, Чебышева (низких частот, прямой и обратный),
эллиптический, окно Кайзера и Дольфа-Чебышева. На рисунке 1 задан цифровой фильтр
низких частот, частота оцифровки 8 кГц, полоса пропускания 1 кГц, полоса подавления
20 кГц с затуханием 60 дБ. После задания этих параметров автоматически рассчитывается
амплитудный отклик, строится график нулей и полюсов (pole-zero plot), генерируется
порядок фильтра. Порядок фильтра необходим при его проектировании: он определяет
количество вычислений в конечной системе. В примере на рисунке 1 мы выбрали
обратный фильтр Чебышева: характеристики его полосы пропускания отличные, а
порядок достаточно низок.
Рисунок 1.1. Экспресс ВП создания классического цифрового
фильтра – это интерфейс для интерактивной настройки схемы на основе
классических фильтров: Чебышева, Баттеруорта и других.
Еще одно достоинство среды разработки виртуальных приборов LabVIEW –
графическое программирование: несколько иконок позволят вам описать нужную схему
тестирования прибора. Замена тестируемого фильтра сводится просто к замене одной
иконки. Например, обратный фильтр Чебышева можно сразу заменить фильтром Ремеза
или наименьшей нормы P-ого порядка. На самом деле, методы проектирования фильтров,
перечисленные в таблице 1 представляют собой готовые решения. Например, при выборе
метода Ремеза получается КИХ фильтр, минимизирующий отклонение частотной
характеристики фильтра от заданной. Поведение ошибки этого фильтра описывается
формулой Чебышева. Также, при использовании метода Ремеза можно генерировать
фильтры с линейной фазой типа 1-4, с произвольной формой конечно-импульсной
характеристики, аппроксимацией оптимальной амплитуды (по максимальной или
минимальной фазе), можно указать полосу работы одной точкой (по провалу или пику) и
точно управлять коэффициентом усиления. При использовании метода проектирования
фильтра наименьшей нормы Р-ого порядка можно сделать фильтры как с конечной, так и
бесконечной импульсной характеристикой, с различными ограничениями по амплитуде
и фазе. В библиотеке Digital Filter Design эти фильтры генерируются либо методом
Ньютона, либо Итерационным взвешенным методом наименьших квадратов.
Таблица 1. Библиотека разработки цифровых фильтров предлагает
различные схемы фильтров: от классических до современных.
Среда программирования на основе ВП позволяет пользователю одновременно
тестировать фильтр и подбирать его параметры. На ВП эти переменные параметры
представляют собой элементы управления на лицевой панели. В ВП вы можете описать не
только полную схему системы, но и увидеть на графиках и других элементах отображения
или индикаторах результат работы. При изменении входных параметров вы сразу видите
отклик системы на индикаторах. Среда разработки это не только набор средств
проектирования и тестирования системы, это еще и возможность увидеть результат ее
работы.
Необходимость немедленного, интерактивного отклика работы системы очевидна
всем, кто занимался проектированием и созданием фильтров с арифметикой
фиксированной запятой. Этот тип фильтров может оказаться очень экономичным и
недорогим, но при проектировании требуются значительные усилия, связанные со
сниженной арифметической точностью.
В среде LabVIEW с библиотекой Digital Filter Design процесс проектирования
начинается с разработки прототипа фильтра с плавающей запятой, который потом
конвертируется в фильтр с фиксированной запятой. Это преобразование может сильно
повлиять на характеристики фильтра. После выбора параметров готового изделия: длины
слова целого числа у регистров, топологии фильтра и других необходимо проверить
поведение фильтра. Корректная эмуляция и анализ схемы для арифметики с плавающей
запятой позволят избежать неприятной процедуры поиска ошибки на поздних стадиях
отладки прибора. Средства моделирования, эмуляции и анализа, встроенные в среду
создания ВП позволяют сгладить преобразование фильтров с плавающей запятой для
работы с фиксированной запятой.
Почему же операции с фиксированной запятой настолько сложны? При
квантовании коэффициентов, выполнении промежуточных операций и вычислении
результата накапливается ошибка в системе. При недостатке места в тракте данных может
возникнуть переполнение. Средства моделирования, эмуляции и анализа в библиотеке
Digital Filter Design позволяют выделить ошибки, которые возникнут при создании
прибора еще на стадии разработки. Возьмем, например, целочисленный фильтр низких
частот, описанный на рисунке 1. ВП Fixed-Point Modeling позволяет выбрать различные
схемы конструкции, описать длину слова, целого числа, режимы округления и
переполнения в критических точках схемы. До конечной реализации можно выбрать
и проверить одну из 23 топологий, начиная с КИХ фильтра прямой реализации до фильтра
с бесконечной импульсной характеристикой со вложенными секциями второго порядка
(схема 1 или 2, транспонированная) и сеточного фильтра с авторегрессионным
скользящим средним (ARMA) (базовый, с одним множителем или нормализованные
секции).
Рисунок 1. 2. Это блок-диаграмма ВП с примером проектирования
фильтра. Она позволяет управлять топологией фильтра, длиной слова,
эмулировать отклик фильтров с фиксированной и плавающей запятой на
белый шум и анализировать результаты эмуляции.
На рисунке 2 приведен пример ВП с выбором топологии фильтра, инструментом
моделирования арифметики с фиксированной запятой, проверкой и анализом обоих
арифметик. Интерфейс ВП позволяет интерактивно менять параметры схемы во время
работы эмуляции. Сначала логично оставить топологию фильтра и параметры схемы
арифметики с фиксированной запятой по умолчанию и проверить отклик фильтра во всем
спектре с помощью белого шума. На рисунке 3 приведены результаты эмуляции. Видно,
что фильтр с фиксированной запятой отличается от фильтра с плавающей запятой, хотя их
амплитудные, фазовые характеристики и графики нулей и полюсов практически
совпадают. Как видно из отчета анализа фильтра (Filter Analysis Report), ошибки
возникают из-за переполнения и потери значимости во время умножения, суммирования и
задержки. С этой информацией можно внести коррективы в схему фильтра: увеличить
длину слова, целого числа в указанных точках, проверить различные топологии или
изменить другие параметры модели фильтра. В этом примере достаточно увеличить длину
слова при умножении, суммировании и задержке, Как видно на рисунке 4, результат не
отличается от фильтра с плавающей запятой.
Рисунок 1.3. Это лицевая панель тестирования фильтров с
фиксированной и плавающей запятой. На панели приведены амплитудные,
фазовые характеристики и графики полюсов и нулей, а также результаты
эмуляции и анализа первого теста.
Рисунок 4. На основе отчета анализа фильтра (Filter Analysis Report)
оказалось, что необходимо увеличить длину слова для умножения,
суммирования и задержки. Результаты эмуляции фильтра с плавающей
и фиксированной запятой совпадают.
Проверка схемы и реализация
Преимущества виртуальных приборов проявляются и в тесной интеграции
с оборудованием в задачах тестирования и измерений. В приведенном выше примере
плата сбора данных с интерфейсом PCI позволила зарегистрировать внешний сигнал вне
зависимости от эмулированного сигнала, чтобы убедиться в точности работы фильтра.
Исходная задачи, для которых создавалась LabVIEW – контроль и измерения, тесная
интеграция с самым разным оборудованием сбора данных, необходимым
проектировщикам для нее естественна.
Множество контрольно-измерительных задач разрабатываются для внешних
платформ: встроенных систем и систем реального времени. Опять же очевидны
преимущества LabVIEW: ее ВП могут работать в ОС общего назначения: Windows, Mac и
Linux, а также на встроенных системах ПЛИС, ЦСП и 32-х битных микропроцессорах.
В библиотеке Digital Filter Design включены функции моделирования с арифметикой
с фиксированной запятой и средства генерации кода для ПЛИС и ANSI-C. Разработчик
ЦСП может оценить мощь LabVIEW на всех стадиях создания цифровых фильтров: от
проектирования до проверки работы встроенной системы.
Средства библиотеки Digital Filter Design помогут как ученым, так и инженерам.
Простейшая форма экспорта результатов – сохранение коэффициентов фильтра в файл,
записанные данные полностью описывают схему. В модуле LabVIEW DSP из файла
загружается схема фильтра и переносится на WCG/ Модуль LabVIEW DSP позволяет
применять возможности LabVIEW для программирования различных аппаратных
платформ, которые широко используются в научных институтах: National Instruments
SPEEDY-33 и Texas Instruments C6711 и C6713. Они позволяют разработать, создать
прототип и программное обеспечение в различных задачах использования ЦСП.
Библиотека полностью поддерживает технологию экспресс ВП, которая еще больше
снижает время разработки, обеспечивает прямой доступ к каналам аналогового и
цифрового ввода/вывода платы и средства отладки из среды графического
программирования.
При использовании ПЛИС в качестве целевой платформы, с помощью Digital Filter
Design можно сгенерировать код ПЛИС на основе схемы цифрового фильтра с
фиксированной точкой. Этот код передается в модуль LabVIEW FPGA, Xilinx компилятор
которого напрямую настраивает ПЛИС на реконфигурируемом оборудовании
ввода/вывода (RIO) National Instruments. Приборы RIO выпускаются в различных формфакторах: PCI, PXI и CompactRIO (программируемые контроллеры автоматизации).
Модуль LabVIEW FPGA обеспечивает прямой доступ к линиям цифрового и аналогового
ввода/вывода, необходимым в задаче цифровой фильтрации.
Еще одно средство, широко применяющееся при разработке цифровых фильтров –
генерация кода ANSI-C. Представленный недавно LabVIEW Embedded Development
Module (Модуль проектирования встроенных систем) с помощью средств
программирования встроенных систем от сторонних производителей выполняет
компиляцию, линковку и загрузку сгенерированного в LabVIEW кода С на любую
целевую платформу с 32-х битным микропроцессором. Этот модуль позволяет отлаживать
программу с лицевой панели ВП на персональном компьютере, обращаться к каналам
ввода/вывода платы и пользоваться более чем 400 встроенных ВП численной обработки
сигналов.
Технология виртуальных приборов – зарекомендовавший себя метод для
проектирования и создания контрольно-измерительных систем. Этот уникальный подход
сулит огромные преимущества инженерам-проектировщикам, которым теперь требуется
всего один инструмент на всех этапах от проектирования, и тестирования до реализации.
2. ПРИМЕНЕНИЕ LABVIEW В ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ
Теплофизические свойства материалов и изделий (теплопроводность,
теплоемкость, коэффициент температуропроводности и др.), должны учитываться при
проектировании энергосберегающих технологий, математическом моделировании
температурных полей в ограждающих конструкциях и потоках теплоносителей,
оптимизации тепловых режимов процессов производства изделий из полимерных
материалов.
В то же время, в результате научно-технического прогресса и
интенсификации работ в области энергосбережения, появляется все больше новых
материалов
с
неизвестными
характеристиками,
что
требует
увеличения
производительности измерений, создания новых и модернизации существующих методов
и средств измерения теплофизических величин.
С помощью плат сбора данных фирмы NI, среды программирования LabView 8.0
теплофизическое оборудование было объединено в единую измерительную систему (см.
рис. 1)
Рис. 1.2 – Структурная схема измерительной системы для определения
теплофизических свойств материалов
Модифицированный прибор ИТ-4 реализует стационарный метод и позволяет
определять значение теплопроводности твердых и сыпучих материалов в диапазоне
0,1…2 Вт/(мК) при температурах 20...100 С. Прибор, в составе измерительной системы,
используется как в учебных целях, так и в научных исследованиях.
Измерительные приборы ИТ-с-400 и ИТ--400 предназначены для определения
соответственно удельной теплоемкости и теплопроводности твердых материалов в
диапазоне температур от минус 100 до +400 С. Градуировка, управление ходом
эксперимента, обработка экспериментальных данных и формирование отчета о
результатах исследования при помощи этих приборов целиком и полностью реализованы
в среде LabView.
На рис. 2 показана лицевая панель управления при определении теплопроводности
материалов в монотонном тепловом режиме [1] с использованием измерителя ИТ--400.
Рис. 2.2 – Лицевая панель управления при измерении теплопроводности с
использованием прибора ИТ--400
С использованием средств LabView удалось значительно уменьшить трудоемкость
получения измерительной информации обработки экспериментальных данных.
Результаты эксперимента получают с желаемой дискретностью, в нужном диапазоне
температур, а обработка данных позволяет устранить влияние дестабилизирующих
внешних факторов и оценить погрешность измерения (см. рис. 3).
Прибор ИТ-с-400 позволяет определять удельную теплоемкость как твердых, так и
жидких материалов в диапазоне температур от минус 100 до +400 С.
Все преобразователи прибора, а также исполнительные устройства (электрические
нагреватели) подключены через согласующие устройства к плате сбора данных PCI-MIO16-E1. С использованием среды LabView реализована модульная программа,
осуществляющая задание и экспериментальное определение постоянных прибора,
эксперимент при заданных режимах, хранение базы данных измеренных значений
удельной теплоемкости, параметров эксперимента и другой информации.
Рис. 2.3 - Результаты определения теплопроводности оптического стекла марки
ТФ-1
Автоматизация прибора позволила не только определять
зависимость
теплопроводности материалов от температуры, но и наблюдать фазовые переходы при
исследовании некоторых новых полимерных материалов.
Виртуальная лицевая панель при экспериментальном определении удельной
теплоемкости с использованием прибора ИТ-с-400 приведена на рисунке 4. Она содержит
привычный пользовательский интерфейс органов управления и индикации, достаточна
проста и понятна любому оператору, знакомому с устройством и принципом действия
прибора.
После окончания эксперимента на экране монитора компьютера выводится окно с
результатами эксперимента. В этом окне пользователь имеет возможность также
уменьшить число экспериментальных точек путем их округления, установить нижние
пределы измерения и аппроксимации. Пользователь имеет возможность сохранить данные
в указанное им место в текстовый файл, напечатать график зависимости на принтере или
напечатать рисунок в файл.
Измерительное
устройство
(ИУ1)
позволяет
определять
зависимость
теплофизических и реологических характеристик неньютоновских жидкостей от скорости
сдвига. Метод и измерительное устройство были разработаны в соответствии с проектами
РФФИ №02-02-17587а и № 05-08-01515а [2, 3]. Была создана измерительная установка,
управление которой происходит с помощью программы, реализованной также в LabView.
Установка позволяет определять реологические и теплофизические характеристики
жидкостей, подчиняющихся степенному закону течения:
  m   n
где  - касательное напряжение в слое исследуемой жидкости [Па];
 - скорость сдвига [с-1];
m – коэффициент консистенции [Пас-n];
n – индекс течения;
Рис. 2.4 – Лицевая панель управления при экспериментальном определении
удельной теплоемкости
Лицевая
панель
управления
на
стадии
определения
коэффициента
теплопроводности показана на рисунке 5. Органы управления, размещенные на панели,
позволяют установить требуемую температуру исследуемой жидкости, заданную скорость
сдвига, параметры m и n, определенные на предыдущей стадии эксперимента.
Особенностью применяемого метода измерения является то, что при расчете значения
теплопроводности учитывается выделение тепла в слое жидкости за счет диссипации
энергии вязкого трения при сдвиговом течении.
Рис. 5 - Лицевая панель управления на стадии определения коэффициента
теплопроводности
Измерительное устройство ИУ2 служит для экспрессного определения комплекса
теплофизических характеристик твердых, сыпучих и жидких материалов в диапазоне
температур от минус 20 до +100 0С.
Особенностью измерительного устройства является применение
элементов
Пельтье, которые используются в двух режимах: измерения тепловых потоков и задания
тепловых воздействий. Переход из одного режима в другой осуществляется
по
программе, разработанной в LabView. Сигналы первичных измерительных
преобразователей поступают на плату сбора данных через блоки согласования
(нормирующие преобразователи). Теплофизический эксперимент заключается в
регистрации температурного отклика на тепловое воздействие от электрического
нагревателя и элементов Пельтье. Параметры этого отклика зависят от теплофизических
характеристик исследуемого материала. При помощи технологии LabView можно легко и
быстро обеспечить различные виды тепловых воздействий (импульсные, постоянной
мощности, гармонические и др.), и как следствие, использовать различные стадии
теплового процесса – регулярную или стационарную. Регулярная стадия применяется в
методах регулярных режимов первого, второго и третьего рода [1].
При реализации регулярного режима первого рода элементы Пельтье выполняют
функции термостатов и с их помощью поддерживают граничные условия первого рода. В
этом случае измеренную теплопроводность, температуропроводность и объемную
теплоемкость образца относят к фиксированной температуре элементов Пельтье.
В случае использования регулярного режима второго рода элементы Пельтье
работают как датчики тепловых потоков, и эти потоки в эксперименте поддерживаются
постоянными. При этом, как правило, определяется зависимость теплофизических
характеристик от температуры.
Регулярный режим третьего рода заключается в создании при помощи тех же
элементов Пельтье температурных волн в слое материала, и по степени их затухания и
сдвигу фаз определяют теплофизические характеристики.
Используемое оборудование фирмы National Instruments
1.
2.
3.
Плата сбора данных PCI-MIO-16-E1;
Плата сбора данных PCI-6221;
Модуль USB-6008;
Преимущества технологий National Instruments
Использование технологии National Instruments позволяет:

достаточно просто реализовать различные методы измерения в одном
эксперименте
и тем самым повысить точность определения теплофизических
характеристик;

реализовать достаточно сложные алгоритмы обработки экспериментальных
данных.

быстрая конфигурация и настройка измерительных каналов.
Кроме этого, появляется возможность проводить эксперименты в режиме
удалённого доступа по сети Internet.
Среди преимуществ технологий National Instruments хотелось бы также выделить
такие немаловажные факторы, как наглядность кода, лёгкость в программировании и
удобный функциональный интерфейс, а также простоту согласования аппаратной и
программной частей единой информационно-измерительной системы.
Литература
1. Пономарев С.В., Мищенко С.В., Дивин А.Г. Теоретические и практические
аспекты теплофизических измерений: Монография. В 2 кн. Тамбов: Изд-во Тамб. гос.
техн. ун-та, 2006. Кн. 1. 204 с.
2. Пономарев С.В., Мищенко С.В., Дивин А.Г. Теоретические и практические
аспекты теплофизических измерений: Монография. В 2 кн. Тамбов: Изд-во Тамб. гос.
техн. ун-та, 2006. Кн. 2. 216 с.
3. С.В. Мищенко, С.В. Пономарев, А.Г. Дивин, Г.В. Мозгова, С.В. Ходилин. Метод
и измерительное устройство для исследования теплофизических характеристик жидких
полимерных материалов при сдвиговом течении // Вестник ТГТУ. - 2005. - Том 11, №1а. С. 14-22.
4.
С. В. Мищенко, С.В. Пономарев, А.Г. Дивин, А.А. Чуриков, С.Н. Мочалин,
Е.Н. Ковалев, Г.В. Мозгова. Применение labview в теплофизических измерениях .http://rudocs.exdat.com/download/docs-81924/81924.doc