wersja mobilna
Online: 280 Poniedziałek, 2014.07.28

Raporty

Systemy pomiarowe

czwartek, 06 marca 2008 10:24

Tworzenie zaawansowanych aplikacji pomiarowo-kontrolnych oraz testujących wymaga zastosowania urządzeń pomiarowych, które zestawiane mogą być w systemy o wymaganej wydajności oraz możliwościach w zakresie komunikacji i przetwarzania danych. Szybko rosnące w tym zakresie potrzeby odbiorców z przemysłu i innych branż powodują, że w dystrybucji takich elementów systemów jak karty i moduły akwizycji danych specjalizuje się wielu dostawców krajowych. W raporcie dokonano analizy tego rynku, omawiając jego najważniejszych uczestników i perspektywy rozwoju.

Spis treści » Czym są systemy pomiarowe?
» Oprogramowanie definiuje funkcjonalność
» Raport część 2 - Karty akwizycji danych
» Raport część 3 - Od GPIB do PXI
» PCI oraz PCI Express
» Pokaż wszystko
Raport część 1 - Rynek systemów pomiarowych

W systemie pomiarowym wyróżnić można, oprócz obiektu badanego i źródeł sygnału, szereg elementów. Składają się na niego również czujniki, urządzenia kondycjonowania sygnałów, akwizycji danych oraz duża grupa urządzeń służących do przetwarzania, analizy i wizualizacji wyników pomiarów. W raporcie skupiono się głównie na opisie urządzeń, które służą do przetwarzania sygnałów oraz akwizycji danych.

Aby kompleksowo omówić tę tematykę, jako drugą część artykułu wydzielono opis popularnych kart akwizycji danych. Z kolei w trzeciej, ostatniej części raportu przedstawiono opis najważniejszych magistrali systemów pomiarowych i technologii rozwiązań modułowych.


Czym są systemy pomiarowe?
Rys. 1. Obszary najczęstszego w Polsce wykorzystania omawianych w raporcie systemów pomiarowych (źródło: ankieta redakcji APA wśród dystrybutorów produktów)

Systemy pomiarowe, które wykorzystywane są w przemyśle do automatyzacji procesów technologicznych, składają się zazwyczaj z dużej liczby wymienionych powyżej urządzeń, ale też oprogramowania służącego do przetwarzania i analizy danych (patrz rysunek).

Zasadniczą różnicą pomiędzy najprostszymi urządzeniami pomiarowymi a przyrządami tworzącymi systemy jest fakt wzajemnej komunikacji tych ostatnich. Systemy pomiarowe tworzone mogą być w różnych konfiguracjach. Przykładem jest układ gwiazdy zawierający centralny kontroler czy układ magistralowy, gdzie urządzenia pomiarowe łączone są jedną lub kilkoma wspólnymi magistralami.

Mogą być w nich używane zarówno urządzenia samodzielne (typu stand-alone) lub przyrządy wchodzące w skład urządzeń modułowych. Przykładem tych grup urządzeń są przyrządy pomiarowe z interfejsem typu GPIB lub USB oraz, dla przyrządów modułowych, popularne w przemyśle systemy typu VXI oraz PXI.

Niezależnie od wykorzystanej platformy systemowej ideą systemu pomiarowego jest wymiana danych pomiędzy urządzeniami, co pozwala na realizowanie zaawansowanych pomiarów. Więcej informacji na ten temat popularnych sposobów komunikacji podane zostało w trzeciej części raportu.

W omawianym obszarze wydzielić dokonać również można klasyfikacji biorąc pod uwagę kwestię oprogramowania. Przyrządy pomiarowe realizowane mogą być całkowicie sprzętowo, łączyć funkcje z wykorzystaniem sprzętu i oprogramowania, oraz funkcjonować w pełni softwarowo jako tzw. wirtualne przyrządy pomiarowe.

W szczególnie wykorzystanie ostatniej grupy produktów umożliwia tworzenie systemów pomiarowych o dużej funkcjonalności i elastyczności. Ich cechy określone są przez sprzęt (możliwość pomiarów różnych sygnałów i akwizycji danych) oraz oprogramowanie (przetwarzanie i analiza danych oraz wizualizacja).

Wykorzystanie komputera do przetwarzania danych jest korzystne, gdyż pozwala na wykonywanie złożonych obliczeń, łatwe zmiany konfiguracji systemu, a przy tym jest opłacalne pod względem kosztów. Chociaż systemy tworzone w oparciu o przyrządy wirtualne nie osiągają zazwyczaj parametrów znanych z profesjonalnej aparatury pomiarowej, cechują się dużą funkcjonalnością, co przekłada się na ich rosnącą popularność w obszarze pomiarów i testowania.

Przetworzyć i zarejestrować
Rys. 2. Ideowy schemat systemu pomiarowego

Karty akwizycji danych i moduły kondycjonowania sygnałów to z pewnością jedne z najpopularniejszych na rynku krajowym elementów systemów pomiarowych. W tym obszarze działa kilku większych dostawców – są nimi m.in. CSI, Elmark Automatyka, Guru Control Systems, Egmont Instruments, Helmar, TechBase, Kontron.

Firmy te oferują bardzo szeroką gamę wymienionych podzespołów, w tym kart akwizycji danych, kart wielofunkcyjnych oraz sterujących. Standardem są karty mogące być stosowane w komputerach osobistych, które wyposażone są wtedy w interfejs PCI, ewentualnie PCI Express. Część z wymienionych firm dostarcza też karty do stosowania w systemach modułowych typu VXI i PXI, co szczegółowo opisane zostało w trzeciej części raportu.

Rys. 3. Podział rynku krajowego pod względem typów sprzedawanych urządzeń pomiarowych systemów pomiarowych (źródło: ankieta redakcji APA wśród dystrybutorów produktów)

Z pewnością liderem omawianego rynku, jeżeli chodzi o różnorodność oferty i stopień zaawansowania rozwiązań, jest amerykański National Instruments, którego oddział od lat z powodzeniem działa również na rynku polskim, dostarczając systemy pomiarowe.

Firma ta, która jest również najważniejszym, choć nie jedynym, promotorem wykorzystania koncepcji przyrządów wirtualnych, jest jedynym tak dużym producentem biorącym udział w raporcie. Innymi z większych firm zagranicznych w zestawieniu są Axiomtek i Kontron, ale wywodzą się one z branży komputerów przemysłowych, traktując produkty DAQ jako uzupełnienie oferty.

Wśród marek produktów najczęściej pojawiających się w ofercie firm są urządzenia Advantech (dystrybucja m.in. przez CSI i Elmark Automatyka), IOtech (Elmark Automatyka), ICP DAS (Guru Control Systems, Introl, TechBase) oraz Adlink (Guru Control Systems).

Ciekawym dostawcą systemów pomiarowych jest Egmont Instruments, w ofercie którego znaleźć można produkty takich marek jak Addi-Data, Eagle Technology, LabJack, ale też szereg profesjonalnych kart i przystawek oscyloskopowych. Na rynku dostępne są również produkty Axiomtek, które sprzedawane są przez dystrybutorów, jak też Axiomtek Polska – niedawno utworzony krajowy oddział tego tajwańskiego producenta.

Wiele z wymienionych firm dostarcza również moduły kondycjonujące i przetwornikowe (patrz tabela 2). Dotyczy to zarówno kondycjonowania sygnałów analogowych – np. z czujników, jak też przetwarzania protokołów cyfrowych. Kilka firm oferuje przy tym rozwiązania pozwalające na bezprzewodową transmisję danych.

Jacek Dobrowiecki - Helmar

  • Jak tworzone są systemy pomiarowe dostarczane na rynek ? Jakie są korzyści i problemy związane ze stosowaniem konkretnych rozwiązań?
  • Większość użytkowanych współcześnie systemów pomiarowych jest zautomatyzowanych. Jednym z typowych rozwiązań są drogie systemy „pod klucz”, które dostarczane są wraz ze specjalizowanym oprogramowaniem. Stosowane są w nich głównie karty akwizycji danych. Chociaż są one szybkie, nie zapewniają dużej dokładności i rozdzielczości. Pomijając kwestie osiąganej dokładności, rozwiązania te cechuje mała elastyczność, niepozwalająca na adaptację systemu, gdy proces produkcji ulega zmianom.

    Innym rozwiązaniem są budowane przez integratorów systemów systemy działające w oparciu o magistrale komunikacyjne. Systemy zbudowane z przyrządów pomiarowych zapewniają większą dokładność i umożliwiają łatwą modyfikację. Niestety problemem jest to, że świat techniki pomiarowej już od dłuższego czasu nie może zdecydować się na jeden, powszechny standard magistrali. Stara, „dobra” GPIB odchodzi powoli w zapomnienie, a na rynku współistnieje szereg innych magistrali, jak PCI Express, PCI/PXI, USB czy LAN. Mimo, że rozwiązania sieciowe są coraz bardziej popularne, powstałe ostatnio w 2004 r. konsorcjum LXI (LAN Extension for Instrumentation) nadal nie dominuje na rynku.

  • Jaka jest motywacja stosowania modułowych i wykorzystujących oprogramowanie systemów pomiarowych zamiast ich budowania z urządzeń typu stand-alone?
  • Systemy pomiarowe, oprócz parametrów takich jak zakres pomiarowy, dokładność czy rozdzielczość, mają też funkcje programowane pozwalające na elastyczne kontrolowanie pomiaru. Stosowanie właściwych technik programowania pozwala na optymalne, ze względu na wymagania procesu produkcyjnego, skrócenie czasu testów. Z drugiej strony test, na którego wykonanie potrzeba kilku milisekund spośród całkowitego czasu cyklu pomiaru, może być wydłużony do sekund na skutek nieefektywnego programowania. Dlatego coraz częściej korzysta się z kompletnych systemów, a odchodzi od ich budowania z urządzeń typu stand-alone w celu zapewnienia większej wydajności.

  • Jak zmieniał się w ostatnim czasie krajowy i europejski rynek systemów pomiarowych?
  • Europejski rynek systemów pomiarowych odnotował w 2007 roku pięcioprocentowy wzrost. Rynek systemów pomiarowych w Polsce na skutek szeregu inwestycji zagranicznych, jak i nawiązywania współpracy międzynarodowej w zakresie badań nad nanotechnologiami, w tym w zakresie czteroletniego programu Catrene, również rozwija się w podobnym tempie. Natomiast liczba firm dostarczających w naszym kraju omawiane systemy jest nadal niewspółmiernie mała w stosunku do tych na rynku europejskim.



Oprogramowanie definiuje funkcjonalność
Rys. 4. Najważniejsze dla odbiorców cechy elementów systemów pomiarowych (źródło: ankieta redakcji APA wśród dystrybutorów produktów)

Nie powinno być przesadą stwierdzenie, że w nowoczesnych systemach pomiarowych oprogramowanie pełni równie istotną rolę co wykorzystane urządzenia. Umożliwia ono łatwe definiowanie funkcjonalności systemu, przez co rozwiązania sprzętowo-programowe oraz przyrządy wirtualne stanowią bardzo elastyczne narzędzie dla techniki pomiarowej.

Jednocześnie wykorzystanie oprogramowania wspierającego obsługę różnych urządzeń zapewnia możliwości późniejszej rozbudowy i unowocześniania systemów pomiarowych, jeżeli chodzi o ich warstwę sprzętową. Ponieważ często środowiska programistyczne oferują graficzne narzędzia projektowe, po krótkim szkoleniu projektant może tworzyć stosunkowo zaawansowane aplikacje pomiarowe.

Zdecydowanie najszersze portfolio w zakresie oprogramowania systemów pomiarowych ma firma National Instruments. Pakiety przez nią oferowane należą zarówno do grupy oprogramowania najprostszego, pozwalającego na podstawową akwizycję danych i wizualizację pomiarów, jak też służącego do zaawansowanej analizy danych i projektowania systemów pomiarowych.

Oferta firmy obejmuje oprogramowanie najniższego poziomu, takie jak DAQmx, które ma funkcjonalność rozbudowanego drivera, ale też pakiety pozwalające na tworzenie i uruchamianie złożonych aplikacji pomiarowych. Do tych ostatnich należą m.in. Labview oraz LabWindows/CVI, które umożliwiają tworzenie systemów pomiarowych, testujących oraz służących do kontrolowania procesów.

Firma oferuje też narzędzia pozwalające na projektowanie i uruchamianie automatycznych systemów testujących (np. TestStand), które wykorzystują mechanizmy raportowania ATML (Automated Test Markup Language) przydatne przy tworzenie tego typu systemów przemysłowych.

W zakresie przetwarzania i analizy danych wykorzystane mogą być takie rozwiązania jak oprogramowanie DIAdem. National Instruments dostarcza również produkty pozwalające na integrację systemów pomiarowych z innym oprogramowaniem i inne narzędzia.

Na rynku dostępne są również różnorodne pakiety pozwalają na projektowanie i uruchamianie systemów pomiarowych, a następnie zbierania danych, ich przetwarzanie i wizualizację. Wśród firm biorących udział w raporcie w ofercie kilkunastu dostępne jest tego typu oprogramowanie – w szczególności są to Egmont Instruments, Elmark Automatyka, Eltron, Helmar oraz Janbit (patrz tabela 3).

Trendem, o którym warto wspomnieć, jest oferowanie przez producentów wraz urządzeniami pomiarowymi coraz bardziej zaawansowanego oprogramowania. Standardem jest dołączanie standaryzowanych bibliotek sterowników, które pozwalają na tworzenie aplikacji wykorzystujących określone urządzenia pomiarowe.

Producenci coraz częściej jednak w pakiecie z przyrządami dostarczają oprogramowanie, które umożliwia wykonywanie podstawowych pomiarów oraz akwizycję i przetwarzanie danych. Z pewnością przyśpiesza to czas uruchomienia aplikacji, ale też pozwala na sprawdzenie urządzeń bez konieczności tworzenia dedykowanych aplikacji pomiarowych.

Pozostałe pomiary
Multimetr cyfrowy Agilent 34401a to przykład samodzielnego przyrządu pomiarowego z interfejsem GPIB

Poza omawianą dotychczas grupą produktów na rynku dostępnych jest szereg urządzeń i przyrządów pomiarowych wykorzystywanych w przemyśle oraz wielu innych obszarach – np. sektorze wodno-kanalizacyjnym czy zastosowaniach naukowo-badawczych.

Obszerną grupę urządzeń tworzą przyrządy dla elektroniki i dziedzin pokrewnych – oscyloskopy, analizatory widma, urządzenia testujące. Ich dostawcami, którzy wzięli udział w raporcie, są m.in. Biall, Casp System, ELFA Polska, Helmar, Infoel, Merazet, Micros, NI, TME czy UEI. Wiele z tych firm, jak też inne przedstawione w tabeli 1 takie jak Comel czy Metrol, dostarczają przyrządy do pomiarów parametrów sieci elektrycznych i wartości wielkości elektrycznych.

Dotyczy to zarówno mierników, urządzeń pomiarowych tablicowych oraz montowanych na szynę, jak też przyrządów stacjonarnych typu stand-alone. Należy wyróżnić tutaj zielonogórską firmę Lumel, która wytwarza tego typu przyrządy, sprzedając je samodzielnie i poprzez szereg firm dystrybucyjnych.

Część z firm omawianych w raporcie ma w swojej ofercie również takie urządzenia, jak liczniki, rejestratory, ręczne urządzenia pomiarowe oraz czujniki (omówione w raporcie APA 09/2007). Z kolei systemy do pomiarów parametrów gazów oraz składu substancji dostarczają m.in. Alter, Introl, Merazet i Termo-Precyzja.

Dziedzina pomiarowa obejmuje wreszcie bardzo ważne dla automatyki i przemysłu pomiary czynników środowiskowych. Wiele z wymienionych urządzeń produkowanych jest w kraju – czujniki i urządzenia do pomiaru temperatury i wilgotności wytwarza np. Czaki Thermo-Product, Limatherm Sensor, natomiast Uniprod czy Nivelco specjalizują się m.in. w urządzeniach do pomiarów przepływu – analiza tego sektora rynku przedstawiona została w raporcie w APA 11/2007.

Kilka firm na rynku działa również w obszarze pomiarów współrzędnościowych – rozwija się on coraz bardziej dynamicznie szczególnie na południu polski, gdzie firmy te obsługują m.in. producentów z sektora motoryzacyjnego. Informacje na temat tego obszaru rynku przedstawione zostaną w jednym z przyszłych numerów APA.

W którą stronę?
żródło: Helmar

Rozwój krajowego rynku systemów pomiarowych jest z dynamiczny, czemu sprzyjają inwestycje w przemysł i naukę, które trafiają do Polski. W 2007 roku w naszym kraju, podobnie jak w Europie, wzrost całego rynku urządzeń pomiarowych był kilkuprocentowy.

Na tym tle zeszłoroczne wyniki krajowych dostawców systemów pomiarowych są imponujące. W omawianej dziedzinie dynamika wzrostu sprzedaży była w przypadku części firm 20-30%, natomiast, bazując na wszystkich odpowiedziach dostawców, średnia dla rynku wyniosła 21%.

Choć powyższe rezultaty są ponadprzeciętne, należy zaznaczyć, że wzrosty deklarowane przez poszczególne firmy różniły się, co często miało związek z typem oferowanych przyrządów. W szczególności o dobrym roku mówić mogą dystrybutorzy urządzeń i oprogramowania wchodzących w skład systemów pomiarowych, którzy często podawali wartości wzrostu 20% i więcej. Z kolei dostawcy typowej aparatury pomiarowej odnotowywali zazwyczaj mniejsze wzrosty, co wynika z samego charakteru tego sektora rynku, który rozwija się stabilnie, acz w wolnym tempie.

Głównymi odbiorcami omawianych systemów są firmy w Polsce z sektora przemysłowego i elektroenergetycznego, laboratoria i instytucje naukowo-badawcze (patrz wykres 1). Wyróżnić tutaj można przemysł elektroniczny i motoryzacyjny, gdzie trafia szereg systemów automatycznego testowania (ATE).

Biorąc pod uwagę typy urządzeń, wśród sprzedawanych produktów najpopularniejsze są moduły akwizycji danych (samodzielne i wchodzące w skład systemów modułowych), karty akwizycji danych i urządzenia stand-alone. Ich dostawcy ocenili, że sprzedaż tych produktów jest, pod względem ilości, podobna (patrz wykres 2). Sądzić można, że w przyszłości tendencja ta utrzyma się, przy czym sprzedaż systemów pomiarowych powinna rosnąć z uwagi na popularyzację tego typu rozwiązań pomiarowych, jak też stopniowe obniżanie się cen urządzeń wchodzących w ich skład.

Tabele

  • TABELA 1. Oferta ogólna w zakresie urządzeń pomiarowych – rynek krajowy



  • TABELA 2. Moduły kondycjonujące i przetworniki – oferta dostawców krajowych



  • TABELA 3. Oprogramowanie pomiarowe – oferta dostawców krajowych


Raport część 2 - Karty akwizycji danych

Karty akwizycji danych są popularnymi elementami systemów pomiarowych i stanowią często bardzo ważną grupę produktów oferowanych przez firmy biorące udział w raporcie. W drugiej części artykułu omówione zostały najważniejsze cechy kart dostarczanych na rynek, na które wskazywali dystrybutorzy tych produktów.

Oferta rynkowa w zakresie kart akwizycji danych (DAQ – Data Acquisition) jest bardzo duża. Zróżnicowanie pod względem ich liczby wejść i wyjść oraz możliwości w zakresie rejestracji różnych sygnałów pozwala odbiorcom na dobieranie produktów dopasowanych do konkretnych potrzeb pomiarowych. Z kolei oferta firm jest często budowana na bazie kilku typów kart uniwersalnych z przetwornikami A/C i C/A oraz odpowiednią liczbą we/wy cyfrowych.

Grupa tych urządzeń jest rozszerzana, zależnie od oferty producenta kart, o karty o wysokiej wydajności lub takie, które dedykowane są do zastosowań mniej wymagających, a co za tym idzie są tańsze. Portfolio typowych kart DAQ jest często uzupełniane np. przez karty do sterowania silników serwo, terminale przyłączeniowe i inne podzespoły, które pozwalają na rozbudowę systemu według potrzeb klienta.

Cezary Kalista - Elmark Automatyka

Jakie są charakterystyczne cechy nowoczesnych systemów pomiarowych? Co się zmienia w podejściu do tego typu pomiarów i samej technologii urządzeń pomiarowych ?

System pomiarowy, zgodnie z definicją, jest zbiorem przetworników i przyrządów pomiarowych objętych wspólnym sterowaniem i tworzących organizacyjną całość. Zależnie od zastosowania systemy tego typu mogą mieć różne, często wykluczające się właściwości. Od systemu laboratoryjnego wymagana jest przede wszystkim dużej dokładności pomiaru, a w przypadku systemu produkcyjnego najważniejsza jest niezawodność, szybkość i automatyka pomiarów.

Cechą wspólną wszystkich systemów jest coraz większa integracja sprzętu i oprogramowania pomiarowego, czyli tworzenie tzw. wirtualnych przyrządów pomiarowych, gdzie oprogramowanie determinuje funkcjonalność systemu. Stosunkowo nowym zjawiskiem jest tutaj dostarczanie razem z systemem bezpłatnego oprogramowania pomiarowego.

Umożliwia ono zwykle rozpoczęcie pomiarów w ciągu kilkunastu minut od rozpakowania sprzętu i podłączenie do komputera. Jest to duży postęp w stosunku do wcześniejszej sytuacji, gdzie użytkownicy mieli do dyspozycji albo bezpłatne biblioteki DLL i musieli mozolnie tworzyć własne oprogramowanie, albo bardzo wyrafinowane i niestety kosztowne oprogramowanie pomiarowe.

Wsparcie programistyczne jest nadal potrzebne, ponieważ pozwala na skrojenie systemu na potrzeby konkretnej aplikacji. Przy pomocy oprogramowania załączonego z kartą nie uda się zrealizować np. automatycznego testowania podzespołów na linii produkcyjnej, ale do samego pobierania informacji pomiarowej jest ono zwykle wystarczające.

Nowe systemy pomiarowe są często bardzo uniwersalne i można je łatwo zaadoptować do zupełnie różnych pomiarów np. po wymianie czujników oraz modyfikacji oprogramowania ten sam system może mierzyć temperaturę i wilgotność, a następnego dnia zarejestrujemy nim parametry drgań mechanicznych. Ponadto oczywistą zaletą nowych systemów są coraz większe możliwości w zakresie pobierania i obróbki informacji pomiarowej, a jednocześnie coraz prostsza obsługa systemu.

Parametry kart

Najistotniejszymi parametrami kart akwizycji danych są częstotliwość próbkowania i rozdzielczość przetwornika A/C. Definiują one w praktyce możliwości co do zakresu częstotliwości mierzonych sygnałów oraz dokładności ich rejestracji. W typowych zastosowaniach stosuje się karty o rozdzielczości rzędu kilkunastu (12-16) bitów i częstotliwościach próbkowania wynoszących kilkadziesiąt do kilkuset kS/s. Typowo karty wyposażone są w multipleksery pozwalające na podłączenie wielu wejść, w części z nich stosowane są do każdego z wejść układy typu sample&hold, czyli próbkująco-pamiętające.

W celu rozszerzenia zakresu wartości sygnałów wejściowych w kartach stosowane są wzmacniacze zmieniające go o rząd lub dwa, co jednak wiąże się często z ograniczaniem częstotliwości próbkowania. Na rynku najczęściej spotykane są karty z interfejsem PCI, które wykorzystywane mogą być m.in. w komputerach osobistych oraz przemysłowych. Rzadziej oferowane są karty przystosowane do pracy z magistralami Compact PCI czy starszymi, jak np. ISA.

Rozdzielczość
Szybkość przetwarzania

Najpopularniejsze na polskim rynku karty akwizycji danych – podział pod względem cech przetwornika A/C (źródło: ankieta redakcji APA)

Koszty zakupu

Ceny kart akwizycji danych są bardzo zróżnicowane, przy czym rosną one proporcjonalnie do polepszania się parametrów wymienionych w poprzednim rozdziale. Karta typu sample&hold o rozdzielczości 12-16 bitów i próbkowaniu o wartościach zbliżonych do 1 MS/s kosztować może kilka tysięcy dolarów, natomiast prosta, ale wystarczająca w wielu zastosowaniach karta o próbkowaniu kilkaset kS/s to wydatek rzędu kilkuset dolarów.

W tabeli 2 przedstawione zostały przykładowe produkty dostępne na rynku polskim. Są to w dużej części karty o umiarkowanych cenach i parametrach pomiarowych, a więc takie, których wolumen sprzedaży jest największy. Typowy koszt ich zakupu to 2 do 3 tys. zł, przy różnice cenowe pomiędzy danymi modelami mogą być znaczne.

Tym, co w zasadniczy sposób definiuje cenę karty, są jej rozdzielczość pomiarowe i częstotliwość próbkowania. Umowna granica 500kS/s rozdziela grupę kart o umiarkowanych cenach od produktów drogich. Warto dodać, że wraz ze wzrostem częstotliwości próbkowania maleje zazwyczaj rozdzielczość.

I tak karty najszybsze to charakteryzują się przykładową rozdzielczością np. 12 bitów, z kolei karty o bardzo dużych rozdzielczości (24 bity i więcej) to produkty pozwalające na pomiary sygnałów o stosunkowo niewielkich częstotliwościach. Wpływ na cenę mają również dodatkowe elementy wchodzące w skład karty – przykładem są programowalny wzmacniacz dla każdego z kanałów, możliwości kalibracyjne, pamięć do przechowywania danych czy wyjścia analogowe.

Wejścia analogowe
Wejścia cyfrowe

Najpopularniejsze na polskim rynku karty akwizycji danych – podział pod względem cech przetwornika A/C (źródło: ankieta redakcji APA)

Zachodzące zmiany

W ostatnich latach zaszła istotna ewolucja w zakresie systemów komputerowych i urządzeń elektronicznych, co miało bezpośredni wpływ na technologię kart akwizycji danych. Zwiększa się ich średnia rozdzielczość i częstotliwość próbkowania, popularyzują się również moduły akwizycji danych. Te ostatnie mają często funkcjonalność podobną do kart DAQ, ale ponieważ wytwarzane są w oddzielnej obudowie, mogą być instalowane blisko źródła sygnałów i łatwo łączone z komputerem lub innym urządzeniem – np. za pomocą interfejsu USB.

Zgodnie z wynikami ankiety przeprowadzonej przez redakcję wśród dostawców kart akwizycji danych (patrz wykresy 1 do 4) na rynku krajowym najczęściej sprzedawane są karty o 16 wejściach cyfrowych i od 8 do 16 wejściach analogowych. Wymienione wcześniej typowe wartości rozdzielczości kart, które wynoszą 12 do 16 bitów, są aktualnej również dla rynku krajowego.

Klienci najchętniej kupują również karty pozwalające na akwizycję sygnałów o częstotliwościach do kilkuset kHz, co oznacza, że większość tego typu produktów wykorzystywana jest poza zastosowaniami wymagającymi dużych szybkości przetwarzania, a więc np. w przemyśle czy energetyce.

Porównując wyniki zebrane podczas tworzenia ankiety z badaniem rynku przeprowadzonym w 2001 roku przez producenta kart – firmę IOTech i przedstawionym przez Elmark Automatyka, można zauważyć pewne różnice. Z pewnością wzrasta średnia szybkość przetwornika A/C – o ile kilka lat temu najwięcej sprzedawanych było kart o szybkości przetwornika poniżej 100kHz, o tyle teraz głównym zakresem tego parametru jest przedział 100-300kHz.

Dane co do średniej liczby wejść analogowych i rozdzielczości przetwornika A/C są identyczne lub zbliżone do tych przedstawionych w raporcie, z kolei nieznacznie wzrosła średnia liczba wejść cyfrowych. Nastąpiła również popularyzacja magistrali PCI kosztem innych standardów.

Proces polepszania się parametrów kart DAQ, przy stopniowym zmniejszaniu kosztów ich zakupu, będzie z pewnością trwał i powodował dalszą popularyzację tych produktów. Należy jednak mieć na uwadze, że choć karty pomiarowe są urządzeniami oferującym bardzo wiele, jeżeli chodzi o możliwości pomiarów i akwizycji danych, nie są one jednak uniwersalne.

Nie zapewniają zwykle tak dużego zakresu pomiarowego jak urządzenia stacjonarne lub modułowe, nie mogą być stosowane w niektórych aplikacjach – np. ze względu na kwestie EMC lub chłodzenia. Z tego powodu w przyszłości można się spodziewać utrzymania stanu równowagi na rynku, który wytworzył się pomiędzy omawianymi typami urządzeń pomiarowych.

Tabele

  • TABELA 1. Karty akwizycji danych w ofercie dostawców krajowych



  • TABELA 2. Karty akwizycji danych w ofercie dostawców krajowych – przykładowe produkty


Raport część 3 - Od GPIB do PXI - magistrale systemów pomiarowych

Tworzenie złożonych systemów pomiarowych, szczególnie dedykowanych do aplikacji testowania (ATE), wymaga zapewnienia ich odpowiedniej niezawodności, jakości pomiarów i kwestii dotyczących transmisji danych. Wiele z tych zagadnień jest związanych z wykorzystaniem odpowiednich interfejsów komunikacyjnych i standardowych rozwiązań w zakresie budowy systemów pomiarowych. W ostatniej części raportu omówione zostały wybrane standardy magistrali i systemów modułowych wykorzystywane w technice pomiarowej.

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat w technice pomiarowej zaszły znaczne zmiany. Ewolucja objęła nie tylko pojedyncze urządzenia, których możliwości pomiarowe i parametry wzrosły, ale przede wszystkim interfejsy komunikacyjne pozwalające na tworzenie złożonych systemów pomiarowych. W przypadku tych stosowanych w do komunikacji samodzielnych urządzeń najważniejszymi stały się standardy GPIB, a niedawno USB oraz Ethernet. Z kolei dla przyrządów modułowych przez długi czas preferowaną technologią była VXI, która z czasem coraz częściej zastępowana jest przez PXI, PXI Express oraz, w przypadku kart akwizycji danych, przez standard PCI.

W świecie skrótów

ATE – Automated Test Equipment
DAQ – Data Acquisition
GPIB – General Purpose Interface Bus
ISA – Industry Standard Architecture
IVI – Interchangeable Virtual Instrument
LXI – LAN Extension for Instrumentation
MXI – Multiplatform eXtensions for Instrumentation, Multisystem Extension Interface
PCI – Peripheral Component Interconnect
PXI – PCI eXtensions for Instrumentation
USB – Universal Serial Bus
VISA – Virtual Instrumentation Software Architecture
VXI – VMEbus eXtensions for Instrumentation
VME – Versamodule Eurocard Bus

Sposoby na przyrządy standardowe
Fot. 1. CompactDAQ z National Instruments jest przykładem modułowego przyrządu pomiarowego, w którym do transmisji danych z komputerem wykorzystano popularny standard USB

Możliwość łączenia aparatury pomiarowej z komputerami oraz innymi urządzeniami była przez wiele lat istotnym zagadnieniem rozwijanym przez projektantów i dostawców przyrządów tego typu. Konieczność zachowania odpowiedniej przepustowości, niezawodności transmisji, ale też łatwości podłączania przyrządów – to główne cechy, którymi powinny były charakteryzować się interfejsy wykorzystywane w systemach pomiarowych.

Chociaż ważnym elementem rozwoju omawianej dziedziny było wprowadzenie w 1962 roku interfejsu RS232, technologią, która stała dla nowoczesnych systemów pomiarowych przełomowa, był standard GPIB (General Purpose Interface Bus).

Został on opracowany w latach 60. zeszłego wieku, a później zatwierdzony jako IEEE-488 (w Polsce funkcjonuje jako IEC-625). W skład interfejsu wchodzi magistrala 16-bitowa, z czego 8 bitów przeznaczonych jest a dane, pozostałe na synchronizację i sterowanie.

Pozwala ona transfer danych z przepustowością do 1MB/s, a system pomiarowy obejmować może jeden kontroler i 15 instrumentów pomiarowych, które włączane są do magistrali równolegle. Komunikacja z urządzeniami odbywa się z wykorzystaniem stosunkowo prostych komunikatów, co pozwala na łatwe stworzenie oraz oprogramowanie systemu pomiarowego.

W pierwotnym standardzie nie zostały uwzględnione formaty komend i danych – miało to dopiero miejsce w 1987 w przyjętym wtedy standardzie IEEE-488.2. W 1992 roku firma National Instruments wprowadziła rozwiązanie zwiększające szybkość transmisji danych do 8MB/s (wersja HSS488). Obecnie większość klasycznych przyrządów pomiarowych wyposażona jest w GPIB. Szacuje się również, od czasu powstania GPIB powstało około 10 mln przyrządów pomiarowych, które go wykorzystują.

Nowszymi i bardziej wydajnymi sposobami komunikacji są te, które upowszechniły się w ostatnich kilku latach. Należą do nich standardy USB, FireWire oraz komunikacja z wykorzystaniem sieci LAN. Szczególnie pierwszy z nich jest chętnie wykorzystywany w urządzeniach pomiarowych – m.in. przenośnych, czego przykładem jest CompactDAQ firmy National Instruments.

Standard USB w wersji 2.0 pozwala na transmisję danych z prędkością maksymalną 480Mb/s, a w nowej wersji 3.0 ma charakteryzować się przepustowością gigabitową. O jego przydatności świadczy fakt wykorzystania w praktycznie każdym nowoczesnym komputerze osobistym, komputerach przenośnych i innych urządzeniach.

Jednocześnie poprzez użycie koncentratorów możliwe jest dołączanie kolejnych urządzeń do sieci, co zapewnia łatwą rozbudowę systemu. Pomimo że USB nie jest dedykowany do użycia w technice pomiarowej, jego cechy, popularność i bezproblemowa obsługa przez popularne systemy operacyjne powodują, że standard te staje się idealnym rozwiązaniem dla przenośnych systemów pomiarowych o niewielkiej liczbie kanałów i niskim koszcie zakupu.

A może bezprzewodowo?

Sposobem komunikacji, który w ostatnich latach szybko zyskiwał na popularności, jest wykorzystanie transmisji bezprzewodowej. Obejmuje on zarówno wykorzystanie sieci komórkowych – np. poprzez wysyłanie wiadomości SMS czy pakietową transmisję danych, połączeń z wykorzystaniem radiomodemów czy komunikacji WLAN lub PAN.

Szczególnie pierwszy rodzaj transmisji jest z powodzeniem wykorzystywany w systemach pomiarowych, gdzie konieczne jest jedynie okresowe monitorowanie stanu obiektu lub przesyłanie określonych informacji w regularnych odstępach czasu. Może on być również użyte np. do zdalnych odczytów – np. zużycia energii elektrycznej.

W modułowym świecie VXI

Innym rodzajem przyrządów pomiarowych są urządzenia modułowe i kasetowe. Systemy tego typu, ze względu na parametry, niezawodność i możliwości integracji, wykorzystywane są głównie w zastosowaniach profesjonalnych. W szczególności są one bardzo popularne w zastosowaniach związanych z automatycznymi systemami testującymi (ATE). Ponieważ w systemach modułowych zarówno moduły, jak też kasety są standaryzowane pod względem wymiarów i podłączeń elektrycznych, daje możliwość stosowania produktów pochodzących od różnych dostawców.

VME eXtension for Instrumentation, czyli VXI, jest bardzo popularnym standardem w urządzeniach pomiarowych, który pierwotnie przeznaczony był dla aparatury przenośnej, zwłaszcza tej do zastosowań wojskowych. Jest on rozwinięciem standardu VME, gdzie wykorzystywane są modułowe karty pomiarowe, ale ma też cechy GPIB – m.in. możliwość programowania z wykorzystaniem komunikatów ASCII.

Wymiary i podłączenia kart pomiarowych są znormalizowane, przez co łatwo mogą być używane ich różne typy i tworzone odpowiednie konfiguracje. Moduły o czterech różnych rozmiarach umieszczane są w kasecie (mainframe) i łączone z wykorzystaniem jednego do trzech 96-pinowych złączy. Złącza zawierają m.in. linie zegarowe 100MHz, 16-bitową szynę danych, linie sterujące i inne. Pozwala to na transmisję danych z przepustowością do 40MB/s (do 160 MB/s w nowszych wersjach), umożliwiając pomiary zróżnicowanych sygnałów, w tym o niskich wartościach oraz wielkich częstotliwościach.

Fot. 2. Czterokanałowy digitizer PXI z 12-bitowymi przetwornikami i szybkością próbkowania 25 MS/s na każdy kanał

Standard VXI definiuje również kwestie związane z kompatybilnością elektromagnetyczną, zasilaniem, chłodzeniem i standaryzacją sterowników. Sterowanie odbywa się z wykorzystaniem kontrolera, który umieszczany jest w miejscu modułu 0 lub kontrolera zewnętrznego i wykorzystania konwertera GPIB/VXI. Większość systemów VXI wykorzystuje oprogramowanie Microsoft Windows, Unix lub VxWorks.

Pomimo, że standard VXI wydawałby się obecnie już mało nowoczesny, pełni on nadal ważną rolę w przemyśle, aplikacjach testujących, zastosowaniach wojskowych i specjalnych. W kraju dostawcami podzespołów systemów VXI są m.in. firmy, które zestawione zostały w tabeli 2.






PCI oraz PCI Express

W kolejnych latach rozwoju systemów pomiarowych jedną z istotniejszy ról odegrał standard PCI (Peripheral Component Interconnect), który od 1992 roku szybko popularyzował się w technice komputerowej. W przypadku dziedziny pomiarowej wypełnił on istotną lukę, która powstałą między najprostszymi systemami pomiarowymi bazującymi np. na GPIB, a drogimi technologiami typu VXI.

Podobnie jak w przypadku VXI, interfejs ten zapewnia zasilanie napięciami ±12V, 5V oraz 3,3V (zależnie od wersji) i wykorzystywane są w nim karty o typowej wielkości 100x160mm. Przepustowość magistrali wynosi 533 MB/s przy maksymalnej szerokości szyny danych 64 bity (dla standardów PCI 2.1 do PCI 3.0). Istotną cechą PCI jest duża skalowalność, w tym możliwość łączenia równolegle lub szeregowo kilku magistrali w obrębie jednego komputera.

Wykorzystanie popularnego standardu, jakim jest dla technologii komputerowej PCI, z pewnością pozwala na tworzenie stosunkowo tanich, a jednocześnie odpowiednich do wielu aplikacji systemów pomiarowych. Również oferta rynkowa krajowych dostawców kart DAQ z tym interfejsem jest największa ze wszystkich technologii systemów pomiarowych.

Ponieważ kwestie w zakresie mocy pobieranej przez urządzenia czy warunków chłodzenia nie są zdefiniowane tak jak w VXI, wykorzystanie typowych kart PCI w aplikacjach przemysłowych jest nie zawsze możliwe. Dodatkowo chcąc stworzyć większy system pomiarowy bazujący na PCI, należy pamiętać, że typowe komputery osobiste zawierają niewiele gniazd tego typu i konieczne może być sięgnięcie po odpowiedni komputer przemysłowy lub zewnętrzne chassis z gniazdami PCI.

Warto dodać, że zupełnie nowe możliwości dla systemów pomiarowych otworzyło pojawienie się i szybkie upowszechnianie technologii PCI Express. Przepustowość do kilku Gb/s, zapewnienie dedykowanego pasma dla każdego z urządzeń i kompatybilność z PCI – to najważniejsze cechy tej technologii. W przyszłości należy spodziewać się dalszej popularyzacji kolejnych wersji standardu PCI Express i definitywne odejście od starszych rozwiązań, takich jak technologia ISA.

Dariusz Jaworowski - National Instruments

Jaki charakter mają współczesne systemy pomiarowe? Jaki jest obszar ich zastosowań?

W obecnych systemach pomiarowych wykorzystywane są nie tylko nowinki z obszaru techniki pomiarowej, ale również nowe rozwiązania z innych branż. Przykładem jest ścisła integracja nowoczesnych systemów pomiarowych z systemami komputerowymi, co pozwala na tworzenie przyrządów wirtualnych.

Wraz z tym, jak komputer stał się częścią systemu pomiarowego, tego typu przyrządy są dzisiaj standardem. Nie ma również branży, gdzie pomiary nie byłyby konieczne. Począwszy od uczelni, działów badawczo-rozwojowych firm z różnych sektorów, poprzez linie produkcyjne czy systemy sterowania – potrzeba pomiarów występuje wszędzie.

Jakie są korzyści ze stosowania systemów pomiarowych zamiast urządzeń samodzielnych?

W czasach, gdy technologia rozwija się dynamicznie, należy korzystać z narzędzi, które pozwalają na szybką reakcję na nowe wyzwania, zmniejszając czas od opracowania do wdrożenia nowej technologii. Opracowanie nowej technologii bardzo często związane jest z wykorzystaniem systemu pomiarowego.

Jej implementacja w przemyśle oznacza jednak, że testy podobne jak na etapie opracowania technologii należy wykonać na linii produkcyjnej. Klasyczne urządzenia pomiarowe nie zawsze są na tyle elastyczne, by szybko można było zmienić ich funkcjonalność, dostosowując do kolejnych aplikacji. Dlatego trudniejsze zagadnienia można zrealizować jedynie za pomocą systemów pomiarowych.

PXI, czyli to co najlepsze z dwóch światów
Rys. 1. Najpopularniejsze na polskim rynku elementy systemów pomiarowych (źródło: ankieta redakcji APA)

Koszt związany z urządzeniami VXI i kwestie wydajności spowodowały, że z czasem rozwinęły się inne technologie systemów modułowych. Jedną z nich jest PXI, która wypełnia lukę pomiędzy systemami wykorzystującymi komputery osobiste a profesjonalnymi systemami typu VME/VXI oraz GPIB.

O ile bowiem komputery okazały się być bardzo dobrą, tanią platformą dla systemów pomiarowych, zazwyczaj brakowało im cech pozwalających na ich wykorzystanie w przemyśle czy trudnych warunkach środowiskowych.

Standard PXI bazuje się z technologii CompactPCI i, będąc z nią kompatybilny, ma również szereg dodatkowych zalet. Zapewnia on synchronizację zegarową w obrębie kasety, możliwość wyzwalania modułów, a pod względem mechanicznym definiuje kwestie chłodzenia, budowy modułów oraz zagadnienia związane z emisją zaburzeń elektromagnetycznych oraz odpornością na zaburzenia zewnętrzne.

W tym względzie specyfikacja PXI ma wiele cech wspólnych ze standardem VXI, przy czym ten ostatni uznawany jest za lepszy pod względem wymagających zastosowań przemysłowych, głównie ze względu na chłodzenie oraz cechy mechaniczne.

Typowa kaseta PXI składa się z ośmiu slotów dla przyrządów modułowych, chociaż popularne są wersje od 4 do 18 slotów. Kontroler PXI znajduje się w slocie o numerze 0 i nie zajmuje on miejsca przeznaczonego na karty. W PXI wykorzystywane są moduły o dwóch wielkościach (3U oraz 6U), które określone są rozmiarami Eurokarty.

Stosuje się też dwa złącza kaset – szynę danych (32-bitowa) oraz drugie złącze z sygnałami wyzwalania, synchronizacji, zegarowym i innymi. Ponieważ liczba linii interfejsu jest stosunkowo duża, a odległości transmisji danych niewielkie, przepustowość systemu wynosi do 132MB/s (w przypadku wersji 64-bitowej nawet 264MB/s).

W przeciwieństwie do VXI programowanie może odbywać się tylko z wykorzystaniem odpowiedniego oprogramowania i nie jest możliwe stosowanie komend ASCII. Nie jest to jednak istotnym problemem, gdyż dostawcy produktów PXI zapewniają zazwyczaj odpowiednie oprogramowanie pozwalające na ich uruchomienie i rozwój aplikacji.

PXI jest technologią pozwalającą na szybkie rozwijanie systemów pomiarowych, które mogą być, z wykorzystaniem wielu dostępnych na rynku modułów, łatwo dopasowywane do konkretnej aplikacji. Dzięki temu oraz faktowi, że bazuje ona na architekturze PCI, technologia ta ma istotne zalety w stosunku do innych wykorzystywanych w technice pomiarowej. Dotyczy to również dostępności dużej ilości oprogramowania i korzystnym kosztom budowy systemu, przy jednoczesnym zapewnieniu jego dużej wydajności.

Obecnie platforma PXI jest jednym z częściej stosowanych rozwiązań dla systemów pomiarowych, w szczególności ATE, które trafiają do różnych branż przemysłu. Według niedawnych badań firmy Frost&Sullivan liczba wykorzystywanych systemów PXI jest około dwukrotnie większa niż VXI. Dodatkowo od 2006 roku na rynek wprowadzane są produkty wykorzystujące interfejs PXI Express, które powinny spowodować dalszą popularyzację tego typu rozwiązań. PXI Express pozwala na transmisję danych z prędkościami aż do 6GB/s (w obrębie kasety), otwierając nowe możliwości wykorzystania systemów pomiarowych.

Co wybrać?

Wybór architektury systemu pomiarowego jest zależny od szeregu czynników, w tym jego kosztu, możliwości rozbudowy, a przede wszystkim możliwości pomiarowych. Skorzystanie z systemu modułowego zapewnia największą wydajność, dużą niezawodność i możliwość stosunkowo łatwego przenoszenia urządzeń.

Rozwiązania takie mogą być zazwyczaj stosowane w warunkach przemysłowym, choć ich wykorzystanie wiąże się zazwyczaj z dużym kosztem. Systemy typu VXI/PXI są tradycyjnie stosowane w zaawansowanych aplikacjach ATE, technice wojskowej i zastosowaniach pomiarowych o dużej liczbie sygnałów. Z powodu ich dotychczasowej popularności można spodziewać się, że ich wykorzystanie w najbliższych latach nie zmaleje.

Alternatywą jest użycie kart akwizycji danych, które zapewniają stosunkowo dużą wydajność przy umiarkowanych kosztach zakupu. Ze względu na kwestie ekranowania, chłodzenia czy niezawodność, mogą one być, w przypadku zastosowań przemysłowych, gorszym wyborem. Trzecia z grup urządzeń – przyrządy samodzielne, wykorzystywane mogą być w aplikacjach o mniejszym stopniu złożoności.

Nie jest możliwa ich integracja sprzętowa, akwizycja danych i pomiary nie są również tak szybkie jak w przypadku systemów modułowych, co wynika często z kwestii związanych z możliwością programowania. Niemniej duży wybór przyrządów o relatywnie niedużych kosztach zakupu powoduje, że przyrządy autonomiczne będą przez długi czas pełniły ważną rolę w systemach pomiarowych.

Warto wspomnieć również o możliwości tworzenia systemów hybrydowych. Brak kompatybilności pomiędzy wieloma standardami powoduje, że nie jest możliwa łatwa migracja urządzeń pomiarowych np. z systemu VXI na platformę PXI. Sposobem na pogodzenie tych sprzeczności jest tworzenie systemów hybrydowych, które zawierają urządzenia wykorzystujące różne technologie i interfejsy różnego typu.

Dostawcy systemów pomiarowych często oferują odpowiednie konwertery, czego przykładem jest interfejs MXI, który wykorzystany może być w systemach VXI, PCI oraz PXI. Jednocześnie podział systemów pomiarowych na warstwę sprzętu i oprogramowania powoduje, że użytkownik lub projektant systemu ma zazwyczaj jednolity dostęp do najniższej warstwy systemu pomiarowego, niezależnie od wykorzystanych urządzeń. Dzięki temu integracja różnych rozwiązań technologicznych w jednym systemie okazuje się być możliwa i korzystna.

Tabele

  • TABELA 1. Porównanie wybranych cech omawianych technologii



  • TABELA 2. Systemów pomiarowych PXI oraz VXI/VME w ofercie dostawców krajowych



  • TABELA 3 Dane teleadresowe do firm uczestniczących w raporcie



  • TABELA 4 Tematy raportów w kolejnych numerach APA

Zbigniew Piątek

 

zobacz wszystkie Nowe produkty

Kamera przemysłowa 5 MP z interfejsem PoE do integracji w urządzeniach docelowych

2014-07-28   |
Kamera przemysłowa 5 MP z interfejsem PoE do integracji w urządzeniach docelowych

Firma Imaging Source wprowadza do oferty nową kamerę przemysłową DMM 25GP031-ML dostarczaną w postaci modułu o wymiarach 45 x 45 x 20 mm przeznaczonego do integracji w systemach docelowych. Jest to kamera monochromatyczna wyposażona w czujnik obrazu CMOS firmy Aptina.
czytaj więcej

Półprzewodnikowy detektor siarkowodoru z 4 wariantami interfejsów

2014-07-28   |
Półprzewodnikowy detektor siarkowodoru z 4 wariantami interfejsów

Sierra Monitor wprowadza do sprzedaży półprzewodnikowy detektor siarkowodoru 5100-15-IT z sensorem MOS, zdatny do pracy w wysokich temperaturach otoczenia. Charakteryzuje się on zakresem pomiarowym 0...100 ppm i dokładnością lepszą niż 5%. Jest produkowany w odlewanej obudowie aluminiowej lub ze stali nierdzewnej 316, przystosowanej do pracy w strefach zagrożonych wybuchem (Class 1, Div. I, Groups B, C, D).
czytaj więcej

    Nowy numer APA