TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA MECHATRONIKY A MEZIOBOROVÝCH INŽENÝRSKÝCH STUDIÍ
Studijní program: M 2612 – Elektronika a informatika Studijní obor: 3906T001 – Mechatronika
Uživatelské rozhraní měřícího a regulačního systému EMU-2
User interface of the measuring and regulating system EMU-2
Michal Jarkovský
Vedoucí práce: Ing. Miroslav Novák, Ph.D.
Konzultant: Ing. Patrik Endler
Rozsah práce a příloh:
Počet stran textu: 58 Počet obrázků: 21 Počet tabulek: 8 Počet příloh: 1
Datum: 21.5.2004
JARKOVSKÝ Michal DP-2004 Ved. DP: Ing. Miroslav Novák, Ph.D.
Uživatelské rozhraní měřícího a regulačního systému EMU-2
A BSTRAKT
Cílem diplomové práce je navrhnout a realizovat uživatelské prostředí pro vzdálené ovládání měřícího sytému z počítače PC přes internet. V úvodu je proveden rozbor obdobných systémů. Pro vytvoření uživatelského prostředí je zvoleno vývojové prostředí Delphi firmy Borland. Uživatelské rozhraní umožňuje ukládat naměřená data a do souborů v různých formátech pro další zpracování a zároveň graficky zobrazena. Na závěr byla provedena kontrolní měření, která se shodují s měřeními na standardních přístrojích.
User interface of the measuring and regulating system EMU-2
A BSTRACT
The aim of the diploma thesis is to design and implements the user interface for far control of measuring system from a computer PC via internet. The analysis of analogic systems is made in introduction. Development environment Deplhi from Borland is chosen to creation of user interface. The user interface enables to save data to files in various formats for next processing along with graphic plot. Lastly was made check measurements, which agree with measurements on standard apparatus.
P r o h l á š e n í
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č.
121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).
Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé DP a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé diplomové práce (prodej, zapůjčení apod.)
Jsem si vědom toho, že užít své diplomové práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.
Datum: 21.5.2004
Podpis ………
Michal Jarkovský
P o d ě k o v á n í
Tímto bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce Ing. Miroslavu Novákovi, Ph.D., konzultantovi Ing. Patriku Endlerovi a Ing. Janu Václavíkovi za cenné rady a podnětné připomínky. Dále bych chtěl poděkovat své rodině za podporu při studiu.
O BSAH
OBSAH... 6
SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ... 8
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A ZNAČEK... 9
1 ÚVOD... 11
2 TEORETICKÝ ÚVOD... 12
2.1 EMU-2... 12
2.1.1 Popis EMU-2 ... 12
2.1.2 Signálový procesor DSP ... 13
2.1.3 AD převodníky ... 15
2.1.3.1 Typy AD převodníků ... 15
2.1.4 Lokální počítačové sítě ... 17
2.1.4.1 Ethernet ... 17
2.1.5 Transportní protokoly ... 18
2.1.5.1 Protokol TCP ... 18
2.1.5.2 Protokol UDP... 19
3 ANALÝZA OBDOBNÝCH SYSTÉMŮ... 21
3.1 Popis porovnávaných systémů ... 21
3.1.1 BitScope DSO 1.1 ... 21
3.1.2 Scopal... 23
3.1.3 VBScope ... 24
3.1.4 M621 150MHz Digitální paměťový osciloskop ... 25
3.1.5 Digitální osciloskop Agilent infiniium 54 832D ... 27
3.2 Vyhodnocení ... 28
3.2.1 Ovládání a vzhled ... 28
3.2.2 Podporované funkce ... 28
4 POPIS APLIKACE „EMU2PC“ ... 30
4.1 Vzhled uživatelského rozhraní ... 30
4.1.1 Hlavní okno „EMU2PC“... 30
4.1.1.1 Hlavní menu... 31
4.1.1.2 Graf ... 33
4.1.1.3 Panel vstupů ... 34
4.1.1.4 Nastavení měření ... 34
4.1.2 Okno „Auto Calibration“ ... 35
4.1.3 Okno „Graph Settings“ ... 35
4.2 Popis ovládání ... 36
4.2.1 Postup při autokalibraci ... 36
4.2.1.1 Vztahy pro výpočet kalibračních konstant... 37
4.2.2 Ovládání grafu... 38
4.2.3 Ukládání... 39
5 STRUKTURA APLIKACE „EMU2PC“... 41
5.1 Popis zdrojových souborů ... 41
5.1.1 Soubor „main.pas“... 42
5.1.2 Soubor „func.pas“ ... 43
5.1.3 Soubor „UInputs.pas“ ... 44
5.1.4 Soubor „calibr.pas“ ... 44
5.2 Komunikace EMU-2 s počítačem ... 44
5.3 Významné funkce... 45
5.3.1 TwndUDP.StartMeasure... 45
5.3.2 TwndUDP.NMUDP1DataReceived... 46
5.3.3 Average ... 48
5.3.4 Efektiv ... 48
5.3.5 Frekvence... 49
6 REFERENČNÍ MĚŘENÍ... 50
7 ZÁVĚR... 54
8 LITERATURA... 55
SEZNAM OBRÁZKŮ... 57
SEZNAM TABULEK... 58
PŘÍLOHA... 59
S EZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ
f Hz frekvence
fvz Hz vzorkovací frekvence
N počet vzorků
T s perioda
t s čas
t1 s počáteční čas periody t2 s konečný čas periody u V okamžitá hodnota napětí UAVR V průměrná hodnota napětí Uef V efektivní hodnota napětí Uin V vstupní napětí
US V střední hodnota napětí
∆Uef V odchylka efektivní hodnoty
∆UP-P V odchylka hodnot špička-špička
S EZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A ZNAČEK
A-D analogově-číslicový
ALU aritmeticko-logická jednotka (Arithmetic Logic Unit)
ANSI americký národní standardizační institut (American National Standards Institute)
BMP standardní formát grafických souborů (bitmap)
CSMA/CD metoda s náhodným přístupem (Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detection)
CSV hodnoty oddělené čárkou (Comma Separated Values)
D-A číslicově-analogový
DAG speciální adresovací jednotka (Data Address Generator)
DAT textový soubor dat
DFT diskrétní Fourierova transformace (Discrete Fourier Transform) DNS systém doménových jmen (Domain Name System)
DRAM dynamická paměť (Dynamic Random Access Memory) DSP číslicoví signálový procesor (Digital Signal Processor)
EMU-2 ethernetová multifunkční jednotka (Ethernet Multifunction Unit) FFT rychlá Fourierova transformace (Fast Fourier Transform) FTP protokol přenosu souborů (File Transfer Protocol) HIFI vysoká věrnost přenosu (High Fidelity)
HTTP protokol přenosu hypertextových informací (Hypertext Transfer Protocol)
IEEE odborný institut (Institute of Electrical and Electronics Engineers) INI textový soubor se specifickou strukturou
IP protokol intersítě (Internet Protocol)
ISA počítačová sběrnice (Industry Standard Architecture) MAC speciální násobící jednotka (Multiplier Accumulator)
MFOPS milion operací v plovoucí řádové čárce za sekundu (Mega Floating Point Instructions Per Second)
NFS síťový systém souborů (Network File System)
OSI propojení otevřených systémů (Open Systems Interconnection)
PC osobní počítač (Personal Computer)
PCI sběrnice pro připojení periferních zařízení (Peripheral Component Interconnet)
SMTP jednoduchý protokol přenosu pošty (Simple Mail Transfer Protocol) STP kroucená stíněná dvojlinka (Shielded Twisted Pair)
TCP spolehlivý transportní protokol (Transmission Control Protocol) UDP nespolehlivý transportní protokol (User Datagram Protocol) UTP kroucená nestíněná dvojlinka (Unshielded Twisted Pair) WMF vektorový formát grafických souborů (Windows Meta File)
1 Ú VOD
Na katedře elektrotechniky Technické Univerzity v Liberci byl, pro účely měření obvodových veličin transformátoru na různých vinutích najednou, vyvinut 18-ti kanálový měřící systém EMU-2 (Ethernet Multifunction Unit 2). Tento systém umožňuje získat v krátkém čase velké množství dat.
Cílem práce bylo navrhnout a realizovat uživatelské rozhraní, pro vzdálené ovládání měřícího systému EMU-2, jako program pro operační systémy MS Windows. Dále se seznámit s architekturou a možnostmi měřícího systému EMU-2 a provést analýzu obdobných měřících systémů. Tato analýza by měla být podkladem pro návrh vzhledu a ovládání uživatelského rozhraní.
Původní verze uživatelského prostředí byla vytvořena při výrobě systému EMU-2.
Mým úkolem bylo vytvořit nové uživatelské rozhraní, které by mělo umožnit přehledně zobrazit měřené signály pomocí grafu a vypočítat základní vlastnosti měřených signálů, jako jsou střední hodnoty, frekvence a další. Dále by měla tato aplikace umožnit ukládání dat pro jejich další zpracování. Pro realizaci tohoto uživatelského rozhraní bylo zvoleno vývojové prostředí Delphi 5 firmy Borland.
Na závěr by se měla provést referenční měření na dostupných přístrojích a porovnat získané výsledky.
Měřený
systém EMU-2
Internet UDP/IP
Obrázek 1.1: Schéma přenosu dat
2 T EORETICKÝ ÚVOD
2.1 EMU-2
Na katedře Elektrotechniky bylo pro potřeby měření více hodnot najednou a synchronního záznamu hodnot měřících vstupů vyvinuto měřící zařízení EMU-2.
Jedním z důvodů pro výrobu EMU-2 bylo měření na třífázovém transformátoru.
Ethernet
DSP
ADSP 21061
A/D
AD 73360 Analog
Analog
digital
Moduly
CLK
DTA IN DTA OUT
Internet UDP/IP
DRAM
Hradlové pole Analog
Analog Analog
Analog
Digitální periferie
Analog.
signály
Ovládání modulů (přepínání
rozsahů)
Obrázek 2.1: Blokové schéma EMU-2
2.1.1 Popis EMU-2
EMU-2 disponuje celkem 18ti analogovými vstupy dvou typů rozdělených do trojic na samostatných modulech. Prvním typem jsou vysokonapěťové diferenciální sondy, které umožňují přímo bez oddělení měřit napětí až do velikosti 750 V. Druhým typem
jsou nízkonapěťové vstupy s rozsahy ±150 mV, ±1,5 V a ±15 V. Tyto vstupy mají obdobné vlastnosti jako vstupy osciloskopu.
Základním prvkem EMU-2 je výkonný signálový procesor ADSP 21061 s aritmetikou v plovoucí řádové čárce a výkonem 120 MFOPS. K procesoru je přes řadič, naprogramovaný do hradlového pole Lattice ispLSI 2096A, připojena paměť DRAM o maximální velikosti 64 MB. Dále je součástí EMU-2 osmnáct 16-ti bitových Σ-∆ A-D převodníků AD 73360. Jednotlivé převodníky jsou synchronizovány a umožňují měření až do rychlosti 12,8 kS/s na každém kanále. Systém je vybaven standardním ethernetovým rozhraním, díky tomu může komunikovat s nadřazeným počítačem rychlostí až 10Mb/s. Použit je standardní komunikační protokol UDP/IP.
Obrázek 2.2: Vnitřní uspořádání EMU-2
2.1.2 Signálový procesor DSP
Číslicový signálový procesor DSP (z angličtiny Digital Signal Processor) je mikropočítač nebo procesor, jehož vlastnosti jsou optimalizovány pro maximální matematický výkon a zpracování toku dat.
Číslicové signálové procesory zpracovávají v reálném čase rychle se měnící signály jako zvuk, video signál a radiové vlny, proto mají širokou oblast použití. Můžeme se
s nimi setkat ve sdělovací technice, elektrotechnice, měřících systémech, automobilovém průmyslu, lékařství a mnoha dalších aplikacích.
Charakteristickými rysy DSP jsou:
• Paralelní zpracování instrukcí řízené programátorem,
• speciální násobící jednotka s možností akumulace výsledků (MAC) umožňující velmi rychlé řešení diferenčních rovnic,
• větší počet oddělených sběrnic umožňujících přenést mezi procesorem a pamětí několik operandů a instrukční slovo najednou,
• speciální adresovací jednotky (DAG), které automaticky řídí adresování a toky dat,
• super harwardská architektura, která umožňuje uchovávat data jak v datové tak v programové paměti.
Periferie číslicových signálových procesorů jsou přizpůsobené pro práci v reálném čase a minimálně zatěžují vlastní procesor. Takovou typickou periferií jsou synchronní sériové porty sloužící nejčastěji pro připojení AD a DA převodníků. DSP také často obsahují hardwarovou podporu některých časově náročných algoritmů, např. FFT.
DSP se dělí, z hlediska dynamického rozsahu a přesnosti, na 16, 24, 32 bitové a s plovoucí řádovou čárkou. Každý typ je vhodný pro různé aplikace. Pro zpracování hlasu v telefonii, kde je relativně omezený rozsah, se používají 16 bitové DSP. 24 bitové DSP se využívají při zpracování zvuku odpovídajícího HIFI (aby bylo možno uložit výsledky při zpracování hodnot z 16 bitových AD převodníků). DSP s plovoucí řádovou čárkou a 32 bitové se používají pro zpracování obrazu, 3D grafiky nebo vědeckých simulací, kdy je potřeba větší dynamický rozsah.
Hlavními prvky architektury DSP jsou nezávislé výkonné jednotky ALU (aritmeticko-logická jednotka), MAC (násobička a střadač) a barrel shifter (posouvač), které jsou schopné pracovat nezávisle. V modernějších DSP je těchto jednotek i více, např. dvě jednotky MAC a čtyři ALU. Tyto výkonné jednotky jsou propojené pěti nezávislými sběrnicemi. Celý systém řídí řadič. Pro efektivní nepřímé adresování operandů výpočtu se používají generátory adres DAG. Paměťový systém je vytvořen na bázi rozšířené harwardské koncepce, tzn. že paměť programu je oddělena od paměti dat.
Rozšíření spočívá v možnosti uchovávat data také v paměti programu. Speciálním
obvodem bývá host interface – rozhraní pro nadřízený procesor (68000, 8051), které umožňuje připojení DSP ke standardním sběrnicím ISA nebo PCI.
2.1.3 AD převodníky
Analogově-číslicové (AD) převodníky se uplatňují všude tam, kde je potřeba číslicově zpracovat analogový signál. Většina veličin má analogový charakter (tlak, teplota, lidský hlas apod.). Číslicové zpracování analogových signálů má řadu výhod, které jsou podpořeny relativní dostupností a nízkou cenou technického vybavení pro zpracování číslicových signálů. Tímto vybavením jsou např. kombinační a sekvenční obvody, mikroprocesory, paměti.
AD převodníky zajišťují převod vstupního analogového signálu na výstupní číslicový signál, kde vstupním signálem je nejčastěji napětí a výstupem datové slovo o stanoveném počtu bitů. Převod spojitého analogového signálu na diskrétní číslicový tvar se u většiny převodníků provádí ve dvou krocích. Analogový signál se nejprve periodicky vzorkuje, tzn. v pravidelných intervalech se získávají hodnoty analogového signálu. Ve druhém kroku se amplitudy jednotlivých signálů převádějí kvantování na číslicový tvar.
Přesnost převodu není teoreticky omezena, ale musejí se dodržet následující zásady:
• Nyquistův teorém: vzorkování analogového signálu je prováděno alespoň s dvojnásobným vzorkovacím kmitočtem než je nejvyšší harmonická složka snímaného analogového napětí,
• vzorkovací impulsy jsou dostatečně úzké,
• kvantování vzorkovacích impulsů je dostatečně „jemné“, tzn. že číslo vyjadřující amplitudu má dostatečný počet řádů, tedy výstupní datové slovo má dostatečný počet bitů.
Rychlost změny analogového signálu, kterou je možno zachytit a digitalizovat, omezují rychlost a rozlišovací schopnosti kvantovacího obvodu AD převodníku.
[13]
2.1.3.1 Typy AD převodníků
AD převodníky dělíme podle vstupního signálu na přímé (převádějí přímo vstupní analogové napětí na výstupní slovo) a nepřímé (vstupní analogové napětí nejprve
převádí určitým obvodem na jinou analogovou veličinu a dalším obvodem je tato veličina převedena na výstupní datové slovo).
Typy AD převodníků:
• Paralelní – nejrychlejší, ale drahý a má nízké rozlišení. Používá se v osciloskopech a videopřevodnících.
• S postupnou aproximací – rychlý, levnější. Používají se v multifunkčních kartách.
• Integrační – levné, vyšší rozlišení, ale pomalé. Používají se v multimetrech.
Σ-∆ (sigma-delta) – vysoké rozlišení, dobrý poměr cena/výkon, rychlé.
Princip je naznačen na obrázku 2.3. Používají se např. pro zpracování zvuku.
Hodnoty rozlišení a rychlostí AD převodníků naleznete v tabulce 2.1.
Tabulka 2.1: Parametry AD převodníků Typ Rozlišení [bit] Rychlost převodu [Hz]
Paralelní 6 ÷ 10 107 ÷ 3·109 Aproximační 8 ÷ 16 3·104 ÷ 3·106 Integrační 10 ÷ 27 10-1 ÷ 103
Σ-∆ 16 ÷ 24 101 ÷ 105
Na obrázku 2.3 je schéma Σ-∆ AD převodníku, kde D je D-klopný obvod, který řídí AD převodník a D/A je jednobitový číslicově-analogový převodník.
D/A
∫
D číslic .filtrclk
+ - Uin
Obrázek 2.3: Princip Σ-∆ převodníku
2.1.4 Lokální počítačové sítě
Dnes existuje několik lokálních sítí, normalizovaných IEEE (International Electrical and Electronics Engineers), nebo ANSI (American National Standards Institute) a také firemních specifikací. Odlišují se od sebe ve třech charakteristikách:
• Metodě přístupu – pro sítě je potřeba zajistit nerušené předávání dat mezi jednotlivými uživateli připojenými k síti. Proto vznikly přístupové metody, které řídí přístup stanic ke sdílenému mediu. V lokálních sítích se můžeme nejčastěji setkat s náhodným přístupem na základě zjištění obsazenosti přenosového prostředku, nebo deterministickým přístupem na základě povolení a/nebo priorit.
• Topologii – sběrnice, kruh, hvězda. Pro složitější pak strom.
Přenosové rychlosti – velmi se liší, od 1 Mb/s až po 1 Gb/s.
Nejpoužívanějšími jsou dva typy normalizovaných lokálních sítí, a to Ethernet/IEEE 802.3 a Token Ring/IEEE 802.5, přičemž nejčastěji se můžeme setkat s Ethernetem (nebo jeho rychlejšími variantami Fast Ethernet a Gigabit Ethernet).
2.1.4.1 Ethernet
Ethernet se ve světě podnikových sítí prosadil ve více než 80 % všech instalovaných sítích. Jeho výhodou je jednoduchost protokolu a tím i samotné instalace. U lokálních sítí Ethernet/IEEE 802.3 se používá pro přístup ke sdílené sběrnici metoda mnohonásobného přístupu prostřednictvím naslouchání nosné (pro zjištění obsazenosti média) a s detekcí kolizí (Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detection, CSMA/CD).
Stanice, která potřebuje vysílat, sleduje, co se děje na přenosovém prostředku a pokud je medium v klidu, tak začne vysílat (jinak čeká na uvolnění). Může se stát, že několik stanic vyšle svá data ve stejný okamžik. V tom případě dojde ke kolizi na médiu. Kolize jsou způsobeny přenosovým zpožděním, proto se mohou vzdálené vysílací stanice domnívat, že médium je volné, zatímco se signál jiné z nich k nim teprve blíží. Vysílající stanice nadále naslouchají mediu, a proto snadno detekují kolizi.
Dojde-li ke kolizi, vysílající podrží vysílání po dobu odeslání minimálního rámce, pak zastaví, počká náhodnou dobu t a opakuje pokus (max. 16 pokusů, pak ohlásí chybu).
Důsledky CSMA/CD:
s opakovanými neúspěchy stanice oddalují své další pokusy → větší šance na úspěch
odvysílání dat není zaručeno
v době nejvyššího zájmu o vysílání přibývá kolizí a tím klesá efektivita využití media. [16]
Norma IEEE 802.3 nabízí několik možných přenosových rychlostí a řešení přenosových medií:
• 10 Mbit/s – 10BASE-T (nejpopulárnější typ v topologii hvězda s centrálním rozbočovačem, k němuž se jednotlivé stanice připojují pomocí nestíněného symetrického kabelu UTP, Unshielded Twisted Pair), 10BASE-5 a 10BASE- 2 (sběrnice na bázi koaxiálního kabelu), 1BASE-5, 10BROAD-36 (širokopásmová obdoba 10BASE-5) a 10BASE-F (sběrnice s využitím optického kabelu).
• 100 Mbit/s (IEEE 802.3u, y) – 100BASE-TX (UTP kategorie 5 a stíněný symetrický kabel STP, Shielded Twisted Pair, s využitím dvou párů), 100BASE-T2 (UTP kategorie 3, 4, 5 s využitím dvou párů), 100BASE-T4 (UTP kategorie 3, 4, 5 s využitím čtyř párů) a 100BASE-FX (využívající dvě optická vlákna).
• 1 Gbit/s – 1000BASE-SX, -LX, -CX podle normy IEEE 802.3z a 1000BASE-T (čtyři páry UTP kategorie 5 do vzdálenosti maximálně 100 m).
[15]
2.1.5 Transportní protokoly
2.1.5.1 Protokol TCP
Protokol TCP je protokol transportní vrstvy a slouží k propojení dvou aplikací.
Naproti tomu nižší protokol IP, protokol síťové vrstvy, slouží k spojení dvou počítačů.
Protokol TCP používá jako protokol síťové vrstvy protokol IP, z toho zkratka TCP/IP.
Při komunikaci pomocí TCP je nutné navázat spojení. Toto spojení navazuje TCP klient, který se připojuje k TCP serveru. Veškerý přenos dat mezi klientem a serverem
probíhá pouze v rámci tohoto spojení a všechna přenesená data jsou potvrzována. Data předávána pomocí TCP přijdou v pořadí, ve kterém byla odeslána, proto se také někdy datům posílaným a přijímaným pomocí TCP říká proud dat (stream).
Výhody TCP:
Snadná detekce nedoručení dat.
Garance správnosti pořadí přijímaných dat.
Nemůže vzniknout duplicita dat.
Zajištěna správnost dat.
Nevýhody TCP:
Příliš mnoho řídicích informací – hlavička obsahuje mnoho informací (kontrolní součet, pořadí, a další).
Velká zátěž pro síť – kromě toho, že je hlavička velká, je ještě nutný také přenos opačným směrem (potvrzování).
Velmi využívanou alternativou k TCP je protokol UDP.
2.1.5.2 Protokol UDP
Protokol UDP je protokol transportní vrstvy. Stejně jako TCP slouží ke komunikaci dvou aplikací a používá IP jako síťový protokol (pro spojení dvou počítačů). Stejně jako TCP identifikuje aplikace na počítačích pomocí takzvaného portu, což je jednoznačné číslo identifikující aplikaci. Na jednom počítači nemohou dvě aplikace používat stejný UDP port. Čísla TCP portů a UDP portů jsou na sobě nezávislá, proto jeden program může používat například TCP port 5000 a jiný na stejném počítači může používat UDP port 5000. Podstatným rozdílem je, že UDP není spojová služba, tzn. že nenavazuje spojení. Z toho vyplívá, že:
není potvrzováno doručování UDP datagramů
neexistuje kontrolní součet
data mohou být doručena ve špatném pořadí
strana, která přijímá, je schopná rozlišit jednotlivé datagramy
data se mohou duplikovat.
Výhody UDP:
Krátká hlavička dat.
Malé zatížení sítě (neposílá se potvrzování).
Při přijímání lze rozlišit jednotlivé datagramy.
Nevýhody UDP:
Naprosto nezabezpečený přenos – data se mohou ztratit, poškodit, duplikovat, předbíhat.
Protokol UDP se používá velmi často a to při každém překladu doménového jména na IP adresu, protože DNS servery používají ke komunikaci právě protokol UDP. Dále se využívá při různých přenosech multimediálních dat v reálném čase (např. internetové konference). Přenáší se velký objem dat a jejich potvrzování by bylo pro síť velmi náročné. V případě ztráty nějakého datagramu nám například blikne obrazovka, nebo na okamžik neslyšíme zvuk. [7]
Přenos velkých objemů dat ve velmi krátkém čase je také případ přenosu dat z EMU-2. Proto je zde použit protokol UDP.
3 A NALÝZA OBDOBNÝCH SYSTÉMŮ
Účelem této analýzy je porovnání vzhledu a ovládání systémů umožňujících zpracování a grafické zobrazení měřených dat. Porovnávaný software je testován bez hardwarového vybavení nutného pro vlastní měření. Všechny aplikace jsou navrženy jako digitální osciloskopy umožňující měřit (zobrazovat) dva (i více) vstupní kanály.
První tři porovnávané programy jsou navrženy pro projekt BitScope, který slučuje hardware pro digitální osciloskop a logický analyzátor. Toto zařízení je řízeno mikroprocesorem a připojeno k počítači pomocí sériové linky RS 232. Více o projektu BitScope naleznete na oficiálních internetových stránkách projektu [3].
3.1 P
OPIS POROVNÁVANÝCH SYSTÉMŮ3.1.1 BitScope DSO 1.1
Software BitScope DSO 1.1 je vytvořen přímo autory projektu BitScope a je dostupný na internetových stránkách projektu [4].
Obrázek 3.1: Software BitScope DSO 1.1
Uživatelské rozhranní je přehledné a ovládání je intuitivní. Téměř uprostřed aplikace je rozměrný graf pro zobrazení dat. Pro snadnější odečítaní hodnot jsou osy grafu přehledně rozdělené. Pod grafem se nacházejí ovládací prvky pro oba vstupní kanály (např. zapnutí kanálu, rozsah, 10-ti násobné zesílení, inverze signálu, ...) a pro zobrazení (např. možnost zobrazení signálu pomocí bodů nebo spojité čáry). V levé horní části je trigger, který je i graficky zobrazen, a ve spodní části jsou ovládací prvky pro nastavení časové základny (např. zvětšování/zmenšování, zpoždění). Na pravé straně jsou tlačítka umožňující nastavit vlastnosti zobrazení měřených dat, tlačítko pro vyvolání nabídky nastavení programu a tlačítko pro ukončení programu.
Hodnocení:
Všechny ovládací prvky jsou přehledně oddělené a barevně zvýrazněné. Bohužel v „DEMO“ módu není možné zobrazit žádný signál, proto není porovnána čitelnost grafu.
++++ Aplikace umožňuje „schovat“ všechny ovládací prvky pomocí tlačítka „HIDE“.
++++ Spodní stavový řádek zobrazuje údaje o připojeném zařízení.
++++ Možnost zvětšit okno aplikace na celou obrazovku a tím zlepšit rozlišení grafu.
−−−− Chybí nápověda k ovládání programu.
−−−− Nenašel jsem možnost uložení naměřených dat.
3.1.2 Scopal
Také program Scopal od autorů INNOVATEC and Gordon Williams je navržen pro projekt BitScope. Je dostupný na internetových stránkách tohoto projektu [6].
Obrázek 3.2: Software Scopal
Hlavní část aplikace zabírá graf, v jehož horní části se zobrazuje měřený průběh a ve spodní části je zobrazen trigger. Pod grafem se nacházejí tři tlačítka pro zvětšování/zmenšování grafu a pro vrácení . Nad grafem je místo pro zobrazení polohy kurzoru a přepínaní mezi kanály. Všechny ovládací prvky jsou pouze v pravé části aplikace, což zhoršuje jejich přehlednost.
Hodnocení:
++++ Možnost exportu dat a nastavení vstupních kanálů do textového souboru.
−−−− Nepřehledné ovládací prvky (některé zbytečně veliké, špatně oddělené a barevně
nevýrazné).
−−−− Po zvětšení aplikace na celou obrazovku se neúměrně zvětší i ovládací prvky a
nezlepší se rozlišení grafu.
−−−− Zlepšení odečítání z grafu až po zapnutí kurzorů.
−−−− Velikost triggeru v grafu znemožňuje roztažení průběhu v ose y.
−−−− Ukládání dat pouze do souboru s koncovkou *.sco.
3.1.3 VBScope
I třetí software firmy Integrated Development Services je navržen pro projekt BitScope a je také dostupný na jeho internetových stránkách [5].
Obrázek 3.3: Software VBScope
V levé části aplikace jsou dva grafy. Větší pro zobrazení měřeného průběhu a menší pro trigger. Mezi grafy jsou tlačítka pro menu programu, zapnutí kurzorů a pro vyvolání
nápovědy. V pravé polovině se nacházejí ovládací prvky, které jsou velmi přehledné.
Většina funkcí je stejná jako u předchozích aplikací. Ve spodní části je malý stavový řádek s užitečnými informacemi o nastavení programu.
Hodnocení:
++++ Přehledné a patřičně oddělené a zvýrazněné ovládací prvky programu.
++++ Názorné otočné ovládání pro zvětšování/zmenšování měřítka.
++++ Propracovaná nápověda.
++++ Možnost zvětšit okno aplikace na celou obrazovku a tím zlepšit rozlišení grafu.
−−−− Malý graf pro zobrazení měřeného průběhu.
−−−− Nemožnost uložení naměřených dat.
−−−− Nevhodná barva podkladu grafu.
3.1.4 M621 150MHz Digitální paměťový osciloskop
Tento software je navržen pro digitální osciloskop M621 firmy ETC s.r.o. a naleznete ho na internetových stránkách firmy ETC s.r.o. [8].
Obrázek 3.4: Software firmy ETC
Hlavní část aplikace zabírá rozměrný graf. Okolo grafu jsou rozmístěny ovládací prvky. Vzhledem k mnoha funkcím osciloskopu je těchto prvků hodně, ale jsou barevně zvýrazněny a logicky rozmístěny. V pravé části jsou tlačítka a posuvníky pro nastavení zesílení snímacích sond, rozsahu signálu a posunutí průběhu na grafu. V dolní části se nacházejí funkce pro trigger, pro práci s časovou základnou a pro ukládání měřených dat. Vlevo od grafu jsou tlačítka pro práci s kurzory, zapínaní kanálů, mód zobrazení průběhu a funkce s oběma kanály.
Hodnocení:
Tento software je výjimečný svými funkcemi. Většina ovládacích prvků je umístěna okolo grafu a proto se program zdá trochu nepřehledný. Ale zkušenosti z měření na tomto osciloskopu jsou velmi dobré.
++++ Přehledný graf.
++++ Velké možnosti nastavení programu včetně nastavení barev průběhů.
++++ Propracovaná nápověda.
++++ Export dat do schránky a uložení grafu jako bitmapy.
−−−− Nelze uložit data pro další zpracování v jiném programu (např. Matlab).
−−−− Nelze zobrazit přes celou obrazovku.
3.1.5 Digitální osciloskop Agilent infiniium 54 832D
Posledním porovnávaným systémem je digitální osciloskop Agilent infinium 54 832D. Informace k porovnávání jsou čerpány z manuálu k osciloskopu [1].
Čelní strana osciloskopu je rozdělena na dvě části. V levé části je obrazovka pro zobrazování průběhů. Součástí obrazovky je rozměrný graf, menu, trigger a prvky pro nastavení průběhů. Osciloskop je možné ovládat pomocí počítačové myši, kterou lze k osciloskopu připojit. V pravé části jsou mechanické ovládací prvky. Ty slouží pro rychlé nastavení vertikální i horizontální osy, triggeru. Ve spodní části jsou konektory pro připojení vstupních signálů.
Osciloskop umožňuje uložit naměřená data do souborů ve formátu CSV. Podporuje také uložení grafu do obrázku v několika grafických formátech. Mezi podporované výpočetní funkce patří například efektivní hodnota, střední hodnota, frekvence, perioda, amplituda. Mimo jiné podporuje i výpočet FFT.
Obrázek 3.5: Digitální osciloskop Agilent infiniium 54832D
Hodnocení:
Osciloskop vyniká množstvím výpočetních funkcí.
++++ Možnost připojení externího monitoru.
++++ Přehledný a propracovaný graf.
++++ Ukládání hodnot a grafu v mnoha formátech.
++++ Přehledné ovládání.
3.2 V
YHODNOCENÍVšechen porovnávaný software naleznete na CD-ROMu v příloze.
3.2.1 Ovládání a vzhled
Z hlediska ovládání, vzhledu i funkcí je jednoznačně nejlepší digitální osciloskop Agilent infinium 54832D. Ten je koncipován jako měřící přístroj přímo s obrazovkou pro zobrazení průběhů. Mezi softwarem určeným pro PC v možnostech nastavení a počtem podporovaných funkcí nejlepší software firmy ETC, ale vzhledem a ovládáním je nejlepší software BitScope DSO 1.1. Ostatní dva softwary výrazně zaostávaly.
V tabulce 3.1 je znázorněno hodnocení jednotlivých měřících systémů.
Pozn.: 1 ... nejlepší hodnocení 4 ... nejhorší hodnocení
Tabulka 3.1: Porovnání vzhledu a ovládání
Software Vzhled Ovládání Rozložení Nastavení Funkce Celkem
54 642D 2 1 1 1 1 1,2
BitScope DSO 1.1 2 2 1 2 2 1,8
ETC M621 2 3 2 1 1 1,8
VBScope 3 1 4 4 4 3,25
Scopal 4 4 3 3 3 3,4
3.2.2 Podporované funkce
V tabulce 3.2 je znázorněna podpora vybraných funkcí jednotlivými měřícími systémy. Jelikož ani jeden software jsem neměl možnost porovnávat včetně hardwaru (měřících karet), tak je možné, že ve skutečnosti je podpora některých funkcí rozdílná.
Tabulka 3.2: Podporované funkce
Funkce BitScope
DSO 1.1 ETC M621 VBScope Scopal Osciloskop 54 624D
Inverze
Součet
signálů
Rozdíl
signálů
Střední
hodnota
Efektivní
hodnota
Frekvence
FFT
4 P OPIS APLIKACE „E MU 2PC“
Předchozí verze uživatelského rozhraní pro komunikaci EMU-2 s počítačem byla vytvořena v rámci disertační práce Ing. Miroslava Nováka [12]. Hlavním cílem diplomové práce bylo vytvořit nové uživatelské rozhraní (aplikaci) pro EMU-2.
Aplikace byla vytvořena ve vývojovém prostředí DELPHI 5 firmy Borland. Tuto aplikaci jsem nazval „Emu2PC“.
4.1 V
ZHLED UŽIVATELSKÉHO ROZHRANÍAplikace se skládá z pěti formulářů [14] (oken). Hlavní okno aplikace „Emu2PC“
(viz Obrázek 4.1) obsahuje graf a všechny základní ovládací prvky. Druhé okno „Graph settings“ slouží pro nastavení barev průběhů hodnot jednotlivých vstupů v grafu. Třetí okno „Auto Calibration“ umožňuje nastavení a spuštění autokalibrace. Čtvrté okno
„Communication settings“ obsahuje položky pro nastavení IP adresy a komunikačního portu EMU-2. Páté okno „Axis“ slouží pro nastavení logaritmických měřítek os při zobrazení FFT.
4.1.1 Hlavní okno „EMU2PC“
Vzhled a rozmístění ovládacích prvků aplikace vychází z analýzy podobných systémů jako je EMU-2, která je popsána v kapitole 3. Největší část zabírá graf pro zobrazení jednotlivých průběhů. V pravé části jsou prvky pro nastavení rozsahů a vlastností jednotlivých vstupů v grafu. Ve spodní části se nacházejí prvky pro nastavení a spuštění měření a volba zobrazovaných hodnot v grafu. V části nad grafem se zobrazují vypočítané hodnoty zvoleného vstupu a aktuální souřadnice kurzoru v grafu.
Popis obrázku 4.1:
1. Hlavní menu (více v kapitole 4.1.1.1).
2. Panel pro zobrazení vypočítaných hodnot: střední hodnota (elektrická), prostá průměrná hodnota, efektivní hodnota, hodnota špička-špička, maximální a minimální hodnota a frekvence.
3. Panel pro zobrazení aktuálních souřadnic kurzoru v grafu.
4. Graf (více v kapitole 4.1.1.2).
5. Panel vstupů (více v kapitole 4.1.1.3).
6. Nastavení měření (více v kapitole 4.1.1.4).
7. Možnost přepnutí zobrazení grafu mezi naměřenými hodnotami (XY) a rychlou Fourierovou transformací (FFT).
8. Volné místo pro trigger, který zatím není v EMU-2 naprogramován.
9. Stavový řádek. V levé části se zobrazují informace o průběhu komunikace s EMU-2 (posílání příkazu, počet přijatých hodnot a konec přenosu).
V pravé části se zobrazuje IP adresa počítače, na kterém je spuštěna tato aplikace.
Obrázek 4.1: Vzhled uživatelského rozhraní
4.1.1.1 Hlavní menu
V hlavním menu jsou obsaženy všechny funkce a nastavení, které aplikace nabízí.
Struktura hlavního menu je na obrázku 4.2.
1 2 3 4 5 6 7
8
9
Hlavní menu
File Tools Settings Help
Load ini
Save ini
Save data
Save graph as image
Exit
Start measure
Start measure G=1
Graph lines
color Help
About ...
Auto calibration
Axis
Communication settings
Obrázek 4.2: Struktura hlavního menu
Hlavní menu je rozděleno do čtyř základních skupin:
a) File
o Load ini – Načte nastavení aplikace (autokalibrační konstanty, nastavení rozsahů jednotlivých vstupů a jejich zapnutí/vypnutí) z vybraného INI souboru.
o Save ini – Uloží nastavení aplikace do zvoleného INI souboru.
o Save data – Uložení přijatých dat včetně spočítaných hodnot (frekvence, efektivní hodnota, ...) do souboru ve třech různých formátech. Prvním formátem je CSV (hodnoty oddělené čárkou), druhým je textový formát s koncovkou *.txt a posledním je formát pro Matlab s koncovkou *.dat (ukládají se pouze hodnoty přijaté z EMU-2 a bez popisků).
o Save graph as image – Možnost uložení grafu jako obrázku ve formátu
„Windows Bitmap“ *.bmp nebo „Windows Meta File“ *.wmf.
o Exit - Ukončení programu s dotazem na uložení nastavení aplikace.
b) Tools
o Start measure – Spustí zaznamenávání hodnot v EMU-2 a jejich přenos přes internet do počítače. Doba zaznamenávání hodnot odpovídá počtu vzorků a
vzorkovací frekvenci nastavených ve spodní části aplikace (více v kapitole 4.1.1.4).
o Start measure G=1 – Spustí zaznamenávání hodnot v EMU-2 s kalibračními konstantami Gain=1 a Offset=0, pro získání co největšího rozlišení signálu, a jejich přenos do počítače přes internet.
o Auto Calibration – Zobrazí okno pro autokalibraci. (více o autokalibraci naleznete v kapitole 4.1.2).
c) Settings
o Graph lines color – Zobrazí okno s nastavením barev jednotlivých vstupů zobrazených v grafu.
o Axis – Zobrazí okno, ve kterém je možno nastavit logaritmické měřítko os při zobrazení FFT.
o Communication settings – Zobrazí okno pro nastavení IP adresy a portu pro komunikaci s EMU-2.
d) Help
o Help – Spustí nápovědu k aplikaci „Emu2PC“.
o About ... – Zobrazí informace o aplikaci.
4.1.1.2 Graf
Graf je asi nejdůležitější část této aplikace. Slouží pro zobrazování hodnot jednotlivých vstupů. Graf byl vytvořen pomocí komponenty [14] TChart, která je obsažena v základní instalaci Delphi5. Tato komponenta umožňuje samostatné pracování s jednotlivými sériemi hodnot a tím výrazně zjednodušit přístup k jejich nastavení. Další výhodou je podpora zvětšování/zmenšování měřítka grafu.
Horizontální osa grafu zobrazuje časový průběh signálu a její jednotky jsou milisekundy (ms), nebo frekvenční spektrum při zobrazení FFT, potom jsou její jednotky Hertzy (Hz). Po načtení všech hodnot jsou tyto zobrazeny a měřítka os se automaticky upraví. Graf je možno uložit do grafického souboru ve formátu *.bmp nebo
*.wmf pomocí příkazu v menu „File → Save graph as image“. Aktuální souřadnice (hodnoty) kurzoru v grafu se zobrazují v panelu nad grafem (viz Obrázek 4.1, položka 3).
4.1.1.3 Panel vstupů
Další důležitou částí pracovní plochy aplikace je panel vstupů (viz Obrázek 4.3).
Tento panel slouží pro nastavení jednotlivých vstupů. Je rozdělen na dvě části. První část (Differential High Voltage Probes) slouží k nastavení třech trojic vysokonapěťových vstupů a druhá (Universal Voltage Inputs) pro nastavení třech trojic nízkonapěťových vstupů. Pomocí rozbalovacích seznamů je možno nastavit zisk jednotlivých trojic vstupů a to 0, 6, 12 nebo 18 dB. U nízkonapěťových vstupů se dají nastavit i rozsahy a to 150 mV, 1,5 V a 15 V. Je zde i možnost pojmenovat jednotlivé trojice vstupů pro snadnější orientaci např. v uložených datech. V základním nastavení jsou pojmenovány pro měření 3-fázového transformátoru. Další možností nastavení jsou zaškrtávací políčka pro vypnutí/zapnutí zobrazení hodnot vstupů v grafu. A to buď pro každý vstup zvlášť, ty jsou umístěny vedle čtverečků s barvou vstupů v grafu, nebo pro jednotlivé trojice vstupů, které zároveň slouží pro zapnutí/vypnutí měření těchto vstupů v EMU-2.
Obrázek 4.3: Panel vstupů
4.1.1.4 Nastavení měření
Pod grafem je umístěn panel s tlačítky „Start measure“ a „ Measure G=1“ pro zahájení měření, rozbalovacím seznamem pro výběr vzorkovací frekvence fvz s hodnotami od 1,28 kHz až po 51,2 kHz a pole pro nastavení počtu vzorků N.
4.1.2 Okno „Auto Calibration“
Okno autokalibrace se vyvolá položkou v hlavním menu „Tools → Auto Calibration”. Toto okno slouží pro kalibraci vstupů a obsahuje dvě záložky. Na první jsou základní prvky pro kalibraci a na druhé je tabulka kalibračních konstant pro jednotlivé vstupy a zesílení. Obě varianty okna autokalibrace jsou na obrázku 4.4. Na záložce „AutoCalibration“ jsou umístěny přepínače pro volbu zisku a rozsahu kalibrovaných vstupů. Dále zde jsou zaškrtávací políčka pro výběr kalibrovaných vstupů, vstupní pole pro zadání počtů vzorků, vstupní pole a tlačítka pro zahájení měření a tlačítko po zkopírovaní vypočítaných hodnot do tabulky kalibračních konstant, která je na druhé záložce. Spodní polovinu potom zabírají tři pole, kam se vypíší vypočítané hodnoty autokalibrace.
Obrázek 4.4: Okno autokalibrace
4.1.3 Okno „Graph Settings“
Toto okno slouží pro nastavení barev jednotlivých průběhů v grafu a vyvolá se položkou v hlavním menu „Settings → Graph Settings“. Vzhled okna je na obrázku 4.5.
Pro každý vstup je možné nastavit libovolnou barvu a nebo nastavení vrátit do původních hodnot pomocí tlačítka „Default“.
Obrázek 4.5: Okno pro nastavení barev
4.2 P
OPIS OVLÁDÁNÍPo spuštění „Emu2PC“ se zobrazí hlavní okno (viz Obrázek 4.1) aplikace. Nejprve by jste si měli zkontrolovat nastavení IP adresy a komunikačního portu EMU-2.
V menu zvolte položku „Settings → Communication settings“ a zobrazí se okno pro zadání IP adresy a komunikačního portu. Jestliže máte uložené nastavení programu, tak je možné si ho nahrát pomocí položky menu „File → Load ini“, nebo pomocí klávesové zkratky „Ctrl+L“. Tím se nahrají kalibrační konstanty, nastavení rozsahů a zisků vstupů. Nemáte-li uložené nastavení, tak prvním krokem by mělo být zkalibrování aplikace s EMU-2. Kalibrační okno se vyvolá položkou v menu „Tools → Auto Calibration“. Toto okno je na obrázku 4.4.
4.2.1 Postup při autokalibraci
1. Připojte na vybrané vstupy EMU-2 první referenční napětí. Nejlépe stejnosměrné a se zápornou polaritou.
2. V okně autokalibrace zvolte rozsah nebo zisk a vyberte vstupy, na které je připojeno referenční napětí. Do editačního pole vepište počet měřených vzorků.
3. Poté zadejte hodnotu referenčního napětí do prvního editačního pole a klikněte na tlačítko „1. Measure“. Do levého pole se vypíší průměrné hodnoty jednotlivých vstupů.
4. Na kalibrované vstupy připojte druhé referenční napětí. Například s opačnou polaritou než první.
5. V okně autokalibrace ponechte zvolené nastavení vstupů a do druhého editačního pole zapište hodnotu druhého referenčního napětí. Potom klikněte na druhé tlačítko „2. Measure“. Do prostředního pole se vypíší průměrné hodnoty při druhém měření a do třetí pole se vypíší vypočítané kalibrační konstanty.
6. Zkontrolujte vypočítané kalibrační konstanty zobrazené v levém záznamovém poli a jestliže odpovídají, klikněte na třetí tlačítko „3. Copy to constants“. Tím se hodnoty uloží do tabulky na druhé záložce toho okna.
7. Body 1-6 opakujte pro ostatní vstupy a jejich nastavení.
8. Po skončení kalibrace zavřete okno tlačítkem „Close“.
4.2.1.1 Vztahy pro výpočet kalibračních konstant
Kalibrační konstanty pro zesílení G (gain) a posunutí O (offset) se vypočítají podle vztahů:
min max
min 1 max 1
AVR
AVR U
U
U G U
−
= − , (4.1)
( ) ( )
2
min max
min 1 max
1 U G UAVR UAVR
O= U + − ⋅ + , (4.2)
kde U1max je druhé referenční napětí, U1min je první referenční napětí,
UAVRmax je průměrná hodnota naměřeného signálu při druhém referenčním měření.
UAVRmin je průměrná hodnota naměřeného signálu při prvním referenčním měření.
Po kalibraci přejdeme k nastavení rozsahů a zisků jednotlivých trojic vstupů EMU- 2. To provedeme vybráním požadovaných hodnot na panelu vstupů (viz Obrázek 4.3).
Poté už můžeme přejít k vlastnímu měření. Na spodním panelu (viz Obrázek 4.1, položka 6) zvolíme v rozbalovacím seznamu požadovanou vzorkovací frekvenci fvz a do editačního pole zadáme počet měřených vzorků N. Kliknutím na tlačítko „Start
measure“, nebo položkou v menu „Tools → Start measure“, zahájíme měření. Nebo můžeme zvolit měření s kalibračními konstantami rovnými 1 pro zesílení a 0 pro posunutí. Během měření je v levé části stavového řádku zobrazen nápis „Measuring“.
Doba měření t v sekundách je potom dána vztahem:
[
s Hz]
f t N
vz
/ 1
= , . (4.3)
Po skončení měření začne přenos naměřených dat z EMU-2 do počítače. Což je znázorněno ve stavovém řádku počtem přijatých dat. Ukončení přenosu je potom zobrazeno ve stavovém řádku nápisem „Done: počet přijatých dat“.
Po ukončení přenosu se všechna data zobrazí v grafu.
4.2.2 Ovládání grafu
Měřítko os x a y se automaticky přizpůsobí měřenému signálu tak, aby byly zobrazeny všechny hodnoty. Zvětšování měřítka se provádí pomocí myši. Nad grafem stiskneme a držíme levé tlačítko, táhneme směrem doprava a dolů a poté pustíme levé tlačítko. Vybraný obdélník se potom zvětší na celou plochu grafu. Zvětšený graf poté můžeme posouvat stisknutím pravého tlačítka a současným pohybem myší. Na původní měřítko se vrátíme stisknutím levého tlačítka a pohybem doleva a nahoru. Aktuální poloha kurzoru v grafu se zobrazuje vlevo nad grafem (viz Obrázek 4.1, položka 3). Na panelu vstupů (viz Obrázek 4.1, položka 5) můžeme vypnout zobrazení vstupů, které nepotřebujeme, a to buď po trojících nebo jednotlivé vstupy. Měřítko grafu se poté přizpůsobí opět pro nejlepší zobrazení všech hodnot.
Panel pro nastavení barev (viz Obrázek 4.5) jednotlivých průběhů zobrazíme položkou v menu „Settings → Graph lines color“. Kliknutím na barevné obdélníky, které ukazují aktuální barvu příslušného vstupu v grafu, se zobrazí panel s výběrem barvy. Vybranou barvu potvrdíme kliknutím na tlačítko „OK“. Původní nastavení barev vrátíme pomocí tlačítka „Default“. Změny barev můžeme potvrdit tlačítkem „OK“ nebo zrušit kliknutím na „Cancel“.
Dalším krokem asi bude zobrazení vypočítaných hodnot vybraného signálu. Na panelu pro tyto hodnoty (viz Obrázek 4.1, položka 2) si v rozbalovacím seznamu vybereme, pro který vstup je chceme zobrazit. K dispozici jsou tyto hodnoty:
Střední hodnota z usměrněného signálu (Mean),
Prostá průměrná hodnota (Avr),
hodnota špička-špička (P-P),
efektivní hodnota (RMS),
maximální hodnota (Max),
minimální hodnota (Min) a
frekvence (Freq), která se počítá pomocí průchodu signálu nulou a proto je tato správná jen pro jednoduchý periodický signál.
Pro složitější signály je potřeba zjistit frekvenci z FFT (rychlé Fourierovy transformace). Kliknutím na přepínač „FFT“ (je povolen pouze jestliže jsou přijatá nějaká data z EMU-2) na panelu pro zobrazení hodnot grafu (viz Obrázek 4.1, položka 7) se vypočítá a zobrazí FFT. Na ose x grafu je potom frekvence v Hetzích. Na ose y je magnituda. Pro opětovné zobrazení původních signálů klikněte na přepínač „XY“.
4.2.3 Ukládání
Naměřené hodnoty je možno také uložit. V menu vyberte „File → Save data“, nebo stiskněte kombinaci kláves „Ctrl+S“, a tím se zobrazí dialog pro uložení dat. Vyberte si cestu a jméno, kam chcete soubor uložit. Na výběr máte tři formáty souborů:
Výchozím formátem je TXT. Jedná se o standardní textový formát, kde jsou hodnoty oddělené středníkem „;“ a desetinný oddělovač odpovídá nastavenému oddělovači v systému Windows (pro české prostředí je to čárka
„,“ a pro anglické to je tečka „.“). Tento formát je vhodný pro importování hodnot např. do Microsoft Excel. Uloží se všechny naměřené hodnoty včetně popisu vstupů a všechny vypočítané hodnoty (frekvence, ...).
Druhým formátem je CSV. U tohoto formátu jsou hodnoty oddělené čárkou
„,“ a desetinný oddělovač je tečka „.“. Formát CSV je základní formát souborů pro importování hodnot do databázových systémů. Opět jsou uloženy všechny naměřené a spočítané hodnoty.
Třetím formátem je DAT. Tento formát je určen pro import hodnot do Matlabu. Uloženy jsou jen naměřené hodnoty oddělené mezerou.
Uložení potvrďte tlačítkem „OK“ nebo zrušte stisknutím tlačítka „Cancel“.
Déle si můžete uložit nastavení programu, tzn. kalibrační konstanty a nastavení rozsahů a zisků vstupů. V menu vyberte položku „File → Save ini“. Zobrazí se dialog pro uložení souboru. Vyberte cestu kam chcete soubor uložit a zadejte jeho jméno.
Soubor se uloží v textovém formátu INI. INI soubory se skládají ze sekcí a klíčů. Název sekce je vždy uveden v hranatých závorkách. Každá sekce pak obsahuje několik klíčů.
Název klíče je vždy na samostatném řádku a znakem „=“ je přiřazen obsah. Díky této jednoduché struktuře je možné změnit nastavení i jednoduchém textovém editoru.
Poslední možností k uložení, je uložení grafu. V menu vyberte „File → Save graph as image“, nebo stiskněte kombinaci kláves „Ctrl+G“, a zobrazí se dialog pro uložení grafu. Na výběr máte dva grafické formáty a to BMP a WMF. WMF (Windows Meta File) je vektorový formát, který umožňuje uložení obrázku v barevné hloubce 1 až 24 bitů (až 16 milionů barev) a je vhodný pro obrázky obsahující jednoduché grafické útvary. Formát BMP (bitmap) je rastrový formát a umožňuje uložení obrázku v barevné hloubce 1 až 24 bitů. Jeho nevýhodou je velikost výsledného souboru. S grafem se uloží i legenda, která slouží k lepší orientaci v grafu.
Kompletní nápovědu k aplikaci „Emu2PC“ zobrazíte pomocí menu „Help → Help“
nebo klávesovou zkratkou „F1“.
Práci s aplikací ukončíte stisknutím kombinace kláves „Alt+X“ nebo v menu „File
→ Exit“. Před ukončením jste dotázáni, jestli chcete uložit nastavení do souboru
„main.ini“. Tento soubor naleznete v adresáři s touto aplikací.
5 S TRUKTURA APLIKACE „E MU 2PC“
V této kapitole jsou popsány zdrojové soubory neboli unity [14] a jejich funkce a procedury. Dále se zde popisují potřebné teoretické informace k programovaným funkcím.
5.1 P
OPIS ZDROJOVÝCH SOUBORŮAplikace je pro lepší přehlednost zdrojových kódů rozdělena do několika souborů:
„main.pas“ – je hlavní soubor aplikace a obsahuje definici všech použitých komponent na hlavním okně a funkce a procedury k nim vázané. Soubor také obsahuje definici všech globálních proměnných. Dále je v něm napsáno několik základních funkcí pro fungování aplikace.
„func.pas“ – tento soubor obsahuje definici použitých konstant a funkcí a procedur (většinou to jsou často používané funkce).
„UInputs.pas“ – v souboru je definice třídy pro jednu hodnotu jednotlivých vstupů a definice třídy pro seznam těchto hodnot. Dále v něm jsou funkce pro přidání hodnot, konstruktor, destruktor a inicializace a zrušení seznamu hodnot.
„calibr.pas“ – zdrojový soubor pro okno autokalibrace.
„colors.pas“ – zdrojový soubor pro okno nastavení grafu.
„communset.pas“ – zdrojový soubor pro okno s nastavením IP adresy a portu.
„axis.pas“ – zdrojový soubor pro okno nastavení logaritmických os.
„FFTs.pas“, „Complexs.pas“, „Types.pas“ – tyto soubory slouží pro výpočet FFT. Podpora FFT nebyla požadována v zadání diplomové práce, ale během vývoje aplikace se ukázalo, že by se hodila možnost výpočtu FFT. Proto jsem na internetu našel již naprogramovanou FFT pro Deplhi a použil ji.
Originální zdrojové kódy můžete nalézt na internetových stránkách společnosti SimDesign [9] a byly vydány pod licencí Mozilla Public License [11].
V následujících podkapitolách budou popsány jednotlivé proměnné, konstanty a základní funkce jednotlivých souborů.
5.1.1 Soubor „main.pas“
Proměnné:
Tabulka 5.1: Seznam proměnných v souboru „main.pas“
Proměnná Typ Popis
MeasTimeConfigByte Byte Konfigurační byte pro AD převodník
ValSep, BufSep, BufTho Char Oddělovací znaky při ukládání dat TextF TextFile Soubor pro ukládání dat
NumOfSamples LongWord Počet vzorků k měření Meas, Averages, PtoPs,
Efectives, MaxVals, MinVals, FreqVals
Array[0..17]
of single
Pole hodnot středních, špička- špička, efektivních, maximálních, minimálních a frekvencí
DtgValuesInSample LongWord Počet vstupů na jeden vzorek SourceFFT, ResFFT Array[0..8000]
of TComplex
Pole pro výpočet FFT
IniFile TIniFile Soubor pro uložení nastavení MeasGainsTo1 Boolean Proměnná pro autokalibraci AutoCalibMode Integer Typ autokalibrace
DSPData2 Array[0..17]
of single
Data přijatá z EMU-2 GrafDataRecivedPointer LongWord Počet přijatých dat DataBlockLength LongWord Délka právě přijatých dat TimePerSample Single Doba trvání jednoho vzorku
5.1.2 Soubor „func.pas“
Konstanty:
Tabulka 5.2: Seznam konstant v souboru „func.pas“
Konstanta Popis
BID Počet byte v dvojslově od signálového procesoru
DPS Počet dvojslov ve vzorku od signálového procesoru
SecConv Převod sekund např. na milisekundy ColorIn01, ..., ColorIn18 Barvy průběhů jednotlivých vstupů v grafu
Funkce a procedury:
Tabulka 5.3: Seznam funkcí a procedur v souboru „func.pas“
Funkce Popis
CommaToPoint Funkce pro převod desetinné čárky na tečku
CellToSingle Funkce pro buňky (textu) na číslo v plovoucí desetinné čárce MakeIni Procedura pro nahrání nastavení
SaveIni Procedura pro uložení nastavení do INI souboru ChangeIndex,
ChangeIndexKonst
Funkce, které převádí čísla vstupů pro EMU-2
SetInColor Procedura pro změnu barev průběhů v grafu IPadresa Funkce pro získání IP adresy počítače Average Funkce pro výpočet střední hodnoty Efektiv Funkce pro výpočet efektivní hodnoty
TopVal Funkce pro výpočet maximální/minimální hodnoty PtoP Funkce pro výpočet hodnoty špička-špička
Frekvence Funkce pro výpočet frekvence AutoCalibZero,
AutoCalibMax
Procedury použité při výpočtu kalibračních konstant WholePeriods Procedura pro získání celých period z naměřeného signálu OnePeriod Procedura pro získání jedné celé periody
PowerTwo Funkce pro zjištění mocniny dvou
5.1.3 Soubor „UInputs.pas“
Tento soubor obsahuje deklaraci tříd TInps a TArrayInps. Třída TInps obsahuje atribut Values typu Array[0..17] of Single a konstruktor pro inicializaci hodnot. Druhá třída TArrayInps je potomkem třídy TList a obsahuje pouze destruktor.
V souboru jsou definovány dvě proměnné. První je InVals typu TArrayInps, který slouží pro ukládání naměřených dat. Druhá je Indicator typu Integer a slouží jako počítadlo.
Dále obsahuje tři procedury:
Initial – voláním této procedury vytvoříme objekt InVals třídy TArrayInps a nastavíme počítadlo na nulu.
Deinitial – tato procedura slouží pro odstranění objektu InVals z paměti.
AddValues – pomocí této procedury přidáváme do objektu InVals nové hodnoty a zvýšíme počítadlo o 1.
5.1.4 Soubor „calibr.pas“
V souboru „calibr.pas“ jsou definovány všechny komponenty a jejich funkce okna pro autokalibraci. Dále obsahuje čtyři proměnné AutoCalGain a AutoCalOffset pro uložení kalibračních konstant a proměnou AutoCalMin AutoCalMax pro uložení napětí na vstupech při autokalibraci. Soubor zahrnuje také funkci AutoCalibrIn pro zjištění vybraného vstupu při autokalibraci.
5.2 K
OMUNIKACEEMU-2
S POČÍTAČEMNa obrázku 5.1 je znázorněna komunikace počítače PC s měřícím systémem EMU- 2. Význam značek v obrázku:
‘S’ v 1. znaku ovládacího slova → začátek měření v EMU-2,
‘MEAS’ v hlavičce přijatých dat od EMU-2 → měření,
‘DONE’ v hlavičce přijatých dat od EMU-2 → ukončení měření,
‘DATA’ v hlavičce přijatých dat od EMU-2 → příjem dat
‘R’ v 1. znaku ovládacího slova → požadavek poslání dat.
Začátek měření
Ukončení měření
Žádost o úsek dat Odeslání dat
Přijata všechna data
‘MEAS’
‘DONE’
‘R’
‘S’
‘DATA’
+ -
Zobraz „Measuring“
Žádost o měření
Zpracování dat
PC EMU-2
Obrázek 5.1: Schéma komunikace PC a EMU-2
5.3 V
ÝZNAMNÉ FUNKCEV této kapitole se zaměříme popis některých důležitých funkcí.
5.3.1 TwndUDP.StartMeasure
Úkolem této procedury je sestavit a odeslat ovládací slovo (proměnná Packet, pole znaků) pro signálový procesor a AD převodníky. Jestliže do 3 sekund nepřijde žádná odpověď, tak se komunikace přeruší.
0 - Znak S pro zahájení měření nebo znak R pro opětovné poslání dat.
1 - Oddělovací znak 0 (nula).
2 - Registr „B“ AD převodníku. Podle zvolené fvz se nastaví dělič základní frekvence.
3 - Oddělovací znak 0 (nula).
4 - Registr „D“ AD přev. Zapnutí/vypnutí a nastavení zesílení pro vstupy 1-6.
5 - Oddělovací znak 0 (nula).
6 - Registr „E“ AD přev. Zap./vyp. a nastavení zesílení pro vstupy 7-12.
7 - Oddělovací znak 0 (nula).
8 - Registr „F“ AD přev. Zap./vyp. a nastavení zesílení pro vstupy 13-18.
9 - Oddělovací znak 0 (nula).
10..13 - Požadovaný počet n měřených vzorků.
14..25 - Nastavení triggeru.
26 - Nastavení relé pro přepínání rozsahů nízkonapěťových vstupů.
27 - Oddělovací znak 0 (nula).
28..168 - Nastavení konstant (zesílení a odchylka) pro jednotlivé vstupy a jejich rozsahy a zisky.
Obrázek 5.2: Struktura ovládacího slova EMU-2
Procedura TwndUDP.StartMeasure je součástí souboru „main.pas“.
5.3.2 TwndUDP.NMUDP1DataReceived
Procedura vyvolaná komponentou NMUP1 při příjmu dat pomocí protokolu UDP.
V této proceduře se zjistí, jestli se ještě měří, je už doměřeno, nebo se přijala data, v tom případě se dat uloží a podle typu měření se vykreslí do grafu, nebo použijí pro autokalibraci.
