Разработка измерительных комплексов с использованием INSTRUMENTS CONTROL TOOLBOX на базе программного пакета MATLAB

инж. Кисельников А.Е., доц., д.т.н. Приоров А.Л. (Центр инженерных технологий и моделирования «Экспонента», Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова)

При организации производства радиоэлектронного оборудования довольно часто встает вопрос как об расширении функционала измерительных приборов за счет интеграции с различными программными пакетами, так и автоматизации процесса проведения приёмо-сдаточных испытаний. В данной работе будет рассмотрен один из возможных вариантов реализации данных систем с использованием оборудования с поддержкой стека протоколов NI VISA/IVI и библиотеки Instruments Control ToolBox программного пакета MATLAB.

Изначально библиотека VISA являлась разработкой компании National Instruments и предназначалась для интеграции оборудования их производства с ЭВМ. Естественно, программное обеспечение со стороны ЭВМ так же являлось разработкой данной компании. Библиотека поддерживала и поддерживает по настоящее время следующие интерфейсы: GPIB (ГОСТ 26.003-80), VXI, RS-232 и другие разновидности универсального асинхронного двунаправленного интерфейса передачи данных, а также наиболее распространенные среди пользовательских ЭВМ, на данный момент времени, интерфейсы USB и Ethernet. 

Примененные решения оказались весьма удачными, и с течением времени данная библиотека начала набирать популярность как среди производителей радиоэлектронного оборудования: Keysight (Agilent), Rohde and Schwartz, Tektronix, Lecroy), так и программного обеспечения для ЭВМ – MATLAB, де-факто превратившись в стандарт, регламентирующий организацию взаимодействия с измерительным оборудованием. 

Рисунок 1. Архитектура программно-аппаратного комплекса, построенного на базе VISA

Тем не менее универсальность данной библиотеки и ее работа на низком уровне – взаимодействие с оборудованием путем передачи SCPI-команд делают ее не всегда удобной для быстрой разработки измерительных комплексов, поскольку инженеру приходится изучать документацию не только на саму библиотеку, но и на каждый измерительный прибор в комплексе, чтобы пользоваться его функционалом. Данный недочет был устранен, с появлением IVI () и официальным сообществом поддержки данного стека. IVI является высокоуровневой оберткой для библиотеки VISA и поставляется производителями для серий приборов их разработки, данное решение позволяет использовать высокоуровневые функции, соответствующие органам управления прибором, что значительно ускоряет разработку. 

Рисунок 2. Иллюстрация ускорения процесса разработки с использованием IVI

Далее рассмотрим конкретную задачу, возникшую в ходе одного из проектов, – имелся осциллограф с поддержкой взаимодействия с ПК по USB интерфейсу стеку VISA/IVI, со стороны ПК должен был использоваться программный пакет MATLAB – задачей являлось разработать программно-аппаратный комплекс для измерения коэффициента нелинейных искажений сигнала КТЧ и коэффициента гармоник соответственно. Формулы для данных метрик приведены ниже:

_;

_.

Для решения данной задаче было принято решение несколько повысить уровень абстракции кода и разработать отдельный класс на языке MATLAB для взаимодействия с серией осциллографов MSO-X от KeySight. Сначала для IVI-c библиотеки, реализованной компанией KeySight на языке «си», при помощи Instruments Control Toolbox была сгенерирована обертка на языке MATLAB, тем самым данный драйвер был интегрирован с программным пакетом. Так или иначе полученный набор функций все еще остается весьма низкоуровневым в связи с чем имело смысл создать класс, конструктор которого в качестве конструктора принимает идентификатор подключенного прибора, а методы компонуются из сгенерированных ранее функций с учетом поставленных задач. Для решения поставленной задачи были разработаны методы позволяющие проводить установку и разрыв соединения, настройку прибора, захват последовательности с отсчетов с указанного канала. Решив задачу организации взаимодействия с прибором, перейдем к обработке захваченного сигнала структурная схема алгоритма представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Структурная схема процесса обработки сигнала.

Для предотвращения появления эффекта «частокола» последовательность перемножается с оконной функцией, данная процедура подробно описана в [1], далее производится быстрое преобразование Фурье и затем спектральный анализ. Ниже приведен снимок графического интерфейса, разработанного с использованием описанного выше стека технологий приложения.

Рисунок 4. Структурная схема процесса обработки сигнала.

Заключение. Рассмотренный стек технологий широко поддерживается большинством производителей измерительного оборудования и позволяет как расширять функционал измерительного оборудования, так и создавать автоматизированные измерительные комплексы с минимальными издержками на разработку низкоуровневого программного обеспечения.

Литература:

1. Кестер У. Цифровая обработка сигналов. – М.: Техносфера, 2010.