5. Компьютерно-измерительные системы

Новый тип средств измерений - КИС - представляет собой микроЭВМ со встроенной в нее измерительной платой. В отличие от микропроцессорных приборов в КИС пользователь получает доступ к обширным фондам прикладных программ, может использовать внешнюю память большой емкости и различные устройства документирования результатов измерений.

Структурная схема КИС.
Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляется с помощью внутренней шины микроЭВМ (рис. 6.4), к которой подключены как внешние устройства ЭВМ (дисплей, внешняя память, печатающее устройство), так и измерительная схема, состоящая из коммутатора, АЦП и блока образцовых мер напряжения и частоты. С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы, интерфейсный модуль подключает прибор к магистрали приборного интерфейса.

Измерительные схемы могут быть размещены на одной плате, встраиваемой в микроЭВМ. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с решаемой задачей по программе коммутируются необходимые измерительные элементы, т. е. меняется архитектура.

Программы работы КИС заранее составляются и отлаживаются, но могут быть использованы программы, составленные оператором для решения конкретных задач.

Особенности КИС.
Широкие вычислительные возможности КИС позволяют реализовать программными методами многие способы повышения точности измерений и повышения их эффективности. В качестве встроенных мер напряжения в КИС, как и в большинстве других измерительных приборов, используют стабилитроны, температурный коэффициент напряжения которых составляет около 5-10 . Обычный способ стабилизации опорного напряжения заключается в термостатировании блока стабилитронов. В термостате поддерживают температуру около 310 К со стабильностью 0,1 К- Недостатком такой схемы являются длительный прогрев термостата (до 1 ч), а также большие скачки температуры при включении термостата. Под влиянием температурных перепадов усиливается процесс старения стабилитронов, а следовательно, снижается их долговременная стабильность.

В КИС появилась возможность учесть температурную нестабильность программными методами. Для этого в блок стабилитронов вводят датчик температуры, например терморезистор, и экспериментально определяют зависимость опорного напряжения от температуры. Эту зависимость записывают в ПЗУ или во внешней памяти. В процессе эксплуатации прибора периодически измеряют температуру стабилитронов и по этой зависимости вводят поправку в значение образцового напряжения. При работе стабилитронов без дополнительного подогрева значительно возрастает их долговременная стабильность.

Подобным же образом измеряют и учитывают нестабильность частоты кварцевого генератора - меры частоты: сигнала с датчика температуры воздействует на варикап, подстраивающий генератор на номинальную частоту. Погрешность установки частоты может составлять до 10~8.

В КИС имеется возможность определять индивидуальные функции влияния температуры на различные параметры прибора: сопротивление переключателей, уход нуля, коэффициенты передачи различных структурных элементов. Непрерывный контроль температуры блоков позволяет корректировать возникающие погрешности.

Большие вычислительные возможности позволяют реализовать в КИС анализ полученной информации в ходе эксперимента и менять алгоритм обработки в зависимости от предварительных данных. Например, если полученная при эксперименте гистограмма, наблюдаемая оператором на дисплее, имеет выпавшие результаты и сглаженную форму, то можно предположить существование выбросов и наличие дрейфа измеряемой величины или погрешности. Для устранения выбросов можно использовать одну из статистических программ. Методом тренда можно сделать вывод о наличии дрейфа, а методом наименьших квадратов получить формулу, описывающую дрейф.

В ряде случаев, если вид математической модели исследуемого процесса задан, вычислительные методы позволяют сократить время измерений. Пусть, например, температура нагреваемого от источника постоянной мощности тела с начальной температурой изменяется по закону Т=Т\ - (Т\ - То) е~'/т, где 7*1 - установившаяся температура, т - тепловая  постоянная   времени.  В  этом случае можно, не дожидаясь окончания процесса, определить две постоянные: Т\ и т. Для этого в принципе достаточно двух измерений, а увеличив их число, можно применить метод наименьших квадратов и получить более точный результат.

Возможности КИС можно использовать для прогнозирования отказов некоторых элементов аппаратуры. Как известно, отказам некоторых элементов, например стабилитронов, предшествует увеличение шума. Шум возрастает при ухудшении качества контактов и нарушении нормального режима работы кварцевых генераторов. Контроль спектра шума, выполняемого КИС, позволяет обнаружить перечисленные дефекты. По спектральным составляющим на частотах 50 и 100 Гц можно судить о качестве работы блоков питания.

Автоматизация измерений достигается сочетанием средств вычислительной техники и измерительных приборов. Задачу автоматизации решают как построением средств измерений со встроенными микропроцессорами, так и созданием автоматизированных систем научных исследований, включающих средства измерений, сопряженные с ЭВМ.

Измерительно-вычислительные комплексы допускают гибкое программирование эксперимента и обработки опытных данных, микропроцессорные средства измерений работают по жестким программам, составленным при разработке устройства.
Средства измерений и другие элементы в пределах ИВК сопрягаются стандартными интерфейсами.
Интерфейс МЭК 625-1 предназначен для создания небольших локальных ИВК на основе выпускаемых промышленностью средств измерений, снабженных интерфейсными картами. Достоинство интерфейса - невысокая цена создаваемых на его основе ИВК- На обращение к одному прибору расходуется до единиц миллисекунд, общее же быстродействие интерфейса определяется главным образом инерционными свойствами измерительных приборов. Передача данных происходит побайтно в асинхронном режиме.

Интерфейс КАМАК служит для построения мощных ИВК разной сложности, число крейтов в одной системе может достигать 62. Прием и передача данных осуществляются в параллельном двоичном коде в синхронном режиме, что обеспечивает высокое быстродействие интерфейса. Интерфейс КАМАК допускает подсоединение к крейту цифровых и аналоговых средств измерений и работу совместно с интерфейсом МЭК.