Ing.M.Pfeffer,CSC Katedra fyziky nízkých teplot Fyzikální experiment a PC

Fyzikální experiment a PC Fyzikální experiment a PC Připojení PC k fyzikálnímu experimentu může sloužit např. pouze pro sběr dat z měřících přístrojů, ale lépe zároveň i pro řízení a ovládání celého experimentu. To ovšem neznamená pouze propojení kabelů mezi jednotlivými částmi systému. Znamená komplexní návrh jak hardware, tak obslužného software. Obvykle se snažíme použít co nejvíce standardně dostupných dílů (měřící přístroje, prototypové karty, software), aby byla minimalizována část „vlastního“ návrhu HW zařízení a software. Celý proces vyžaduje značné znalosti z elektroniky, výpočetní techniky a programování. Jako příklad je na obrázku experimentálně navržený širokopásmový pulzní spektrometr NMR pro studium látek v pevné fázi, v on-line režimu s PC.

Blokové schéma aparatury Blokové schéma aparatury Měřená fyzikální veličina Převodník fyzikální veličina  elektrický signál ( analogový) Proces digitalizace signálu Vstupně / výstupní periferie PC Elektronické měřící přístroje řízení krokových motorů ovládání ventilů spouštění parního stroje Zvonek na svačinářku

PC Periferní zařízení xx Propojení PC s periferními zařízeními je na první pohled jednoduché. Ovšem v praxi je většinou u každého zařízení jiný způsob připojení. Další omezení představuje počet portů v PC. Kromě toho, topologie umístění zařízení v laboratoři obvykle vyžaduje dlouhé měřící kabely. Z toho všeho nakonec vyplývají na propojení obvykle vyšší technické nároky. Jedním ze způsobů propojení je využít porty PC. PC Periferní zařízení xx Způsob propojení prostřednictvím USB nebo HPIB Busu - řetězení

Vstupně/výstupní porty PC Standardní rozhraní PC Standardní rozhraní PC Centronix – paralelní port, LPT,8bitový,hlavně pro tiskárny Centronix – paralelní port, LPT,8bitový,hlavně pro tiskárny RS232 – sériový port,COM RS232 – sériový port,COM USB – sériový nové generace USB – sériový nové generace PS2 - např.myš,klávesnice PS2 - např.myš,klávesnice FireWire, Bluetoth,Ethernet, WIFI (bezdrátové) FireWire, Bluetoth,Ethernet, WIFI (bezdrátové) Nestandardní Nestandardní Prototypová deska do slotu existuje jich velké množství, Prototypová deska do slotu existuje jich velké množství, např. HPIB (GPIB) Bus, např. HPIB (GPIB) Bus, různé A/D či D/A převodníky aj. různé A/D či D/A převodníky aj. Desky s přídavnými porty Desky s přídavnými porty Omezený počet standardních portů u PC vede k nutnosti jejich rozšíření pomocí zásuvných desek s přídavnými porty

Příklady PC portů - Centronix Příklady PC portů - Centronix Standardní rozhraní (v/v) Standardní rozhraní (v/v) Paralelní port – Centronix Paralelní port – Centronix paralelní přenos dat (8bitů) paralelní přenos dat (8bitů) původní verze jednosměrná původní verze jednosměrná inovovaná obousměrný přenos (EPP či ECP) inovovaná obousměrný přenos (EPP či ECP) adresa LPT1 je 378h (dekadicky 888,binárně ) adresa LPT1 je 378h (dekadicky 888,binárně ) LPT2 je 278h LPT2 je 278h port zabírá kromě bázové adresy ještě 2 další ( viz obsazení registrů na dalším obrázku) port zabírá kromě bázové adresy ještě 2 další ( viz obsazení registrů na dalším obrázku)

PC porty - Centronix PC porty - Centronix Bázová adresa - např. 378, Ofset = 0 Ofset = 1 (379) (379) Ofset = 2 (380) (380)

Příklady PC portů - RS232 Příklady PC portů - RS232 Sériový port RS232 – jeden z původních portů PC.Omezený počet,omezená rychlost přenosu dat 115kBd.Nelze řetězit.Lze připojit různá v/v zařízení do 15m.Vzhledem k snadné možnosti tento port programovat pod Windows, používá se i dnes.

PC porty – rychlost přenosu dat Všechna uvedená zařízení využívají principů vf vedení se zakončením Všechna uvedená zařízení využívají principů vf vedení se zakončením - týká se všech vysokorychlostních portů a zařízení - týká se všech vysokorychlostních portů a zařízení rozhraní USB 1.1 <> USB 2.0 <>USB 3.0 (aplikace teorie vf vedení - přímý odič u původní verze<>kroucený (twist) u nových verzí Fire Wire (IEEE 1394) Fire Wire (IEEE 1394) ATA –IDE u HDD – starší 33MB/s,66, 100,133, ATA –IDE u HDD – starší 33MB/s,66, 100,133, (původně 40 žilový kabel je nyní 80 žilový = 40 párů) (původně 40 žilový kabel je nyní 80 žilový = 40 párů) SATA – sériový přenos dat,SCSI přenos s terminátory SATA – sériový přenos dat,SCSI přenos s terminátory Rozvody sítí – LAN Ethernet 10M …….koaxiální vedení „ 100M,1Gb ……twisted pair (Level „ 100M,1Gb ……twisted pair (Level 5,6,7), optická vlákna, rušení 5,6,7), optická vlákna, rušení Druhy přenosu - sériový a paralelní přenos dat (počet bitů přenesených za časovou jednotku, 8bitový,16,32,64,128,…) za časovou jednotku, 8bitový,16,32,64,128,…) Přenosové protokoly

PC porty – další porty PC porty – další porty WIFI – Wireless Fidelity – WLAN - bezdrátová síť v pásmu 2,4 či 5 GHz.Náhrada kabelové sítě Ethernet.Princip přenosové trasy podobný mobilním telefonům (celulární buňky) – velký dosah.Problém je ve vzájemném rušení provozovatelů. Vývojem různých přenosových protokolů se zvyšovala rychlost přenosu na cca 300 Mb/s Bluetooth – bezdrátový přenos („osobní sítě WPAN“) s dosahem cca 10m. Přenosová rychlost do 1 Mb/s – připojení mobilních telefonů k PC. FireWire – IEEE 1394 rychlý přenos (480 Mb/s) – kamery, externí HDD Sítě Ethernet – LAN, 10,100 a1000 Mb rychlost přenosu.Připojení optickým vláknem,koax.kabelem či twisted-pair linkou.Podle toho se řídí i topologie sítě jako kruhová či hvězda. Výhody sítí – rychlý přenos dat (Internet), sdílení zařízení. Nevýhody – až se jednou zhroutí ve světě počítačové sítě,lidstvo vymře.

Standardní rozhraní - USB Standardní rozhraní - USB Rychlý sériový přenos (USB 2.0 až 480 Mb/s,USB 3.0 až 5Gb/s), možnost řetězení - připojení až 127 zařízení,komunikace do 5m,USB 1.1, 2.0,3.0, hot swap

Standardní rozhraní - USB Standardní rozhraní - USB Ukázky možnosti řetězení až na 127 zařízení.Vzhledem k omezené délce propojovacího kabelu USB (cca 7m max) je možné touto konfigurací napojení mnoha zařízení tak, jak je to v reálném fyzikálním experimentu.

Standardní rozhraní - USB Standardní rozhraní - USB USB 3.0 má kromě superrychlé části zachovanou zpětně kompatibilní část pro USB 2.0 Problémem USB rozhraní není ani tak rychlé přenesení dat, jako jejich následné zpracování. K těmto účelům se téměř výhradně používají obvody firmy FTDI, umožňující zpracování paketů a rozkódování na sériový či paralelní datový tok. Rovněž obslužný SW dokáže značně zpomalit přenosovou rychlost USB. Architektura a protokol přenosu USB 3.0

HPIB Bus HPIB Bus HPIB (GPIB,IEEE488) Bus HPIB (GPIB,IEEE488) Bus nejčastěji používané v/v rozhraní v připojení fyzikálního experimentu nejčastěji používané v/v rozhraní v připojení fyzikálního experimentu střední rychlost přenosu dat 0,5 až 1MB/s střední rychlost přenosu dat 0,5 až 1MB/s možnost řetězení - až 15 připojitelných zařízení na busu,celková délka vedení až 20 m možnost řetězení - až 15 připojitelných zařízení na busu,celková délka vedení až 20 m osmibitová obousměrná datová sběrnice pro přenos dat osmibitová obousměrná datová sběrnice pro přenos dat automatické přizpůsobení rychlosti přenosu automatické přizpůsobení rychlosti přenosu adresovací možnost 31 adres adresovací možnost 31 adres asynchronní přenos,handshaking asynchronní přenos,handshaking

HPIB Bus HPIB Bus

Nejčastěji používaná zásuvná deska pro komunikaci se sestavou měřících přístrojů (až šestnácti v aparatuře) typu HPIB (GPIB,IEEE488),která umožňuje oboustrannou komunikaci mezi PC a měřící aparaturou.Do konektoru se připojí kabel spojující řetězově všechny měřící přístroje.Každý přístroj má v řetězci unikátní nastavitelnou adresu. Nejčastěji používaná zásuvná deska pro komunikaci se sestavou měřících přístrojů (až šestnácti v aparatuře) typu HPIB (GPIB,IEEE488),která umožňuje oboustrannou komunikaci mezi PC a měřící aparaturou.Do konektoru se připojí kabel spojující řetězově všechny měřící přístroje.Každý přístroj má v řetězci unikátní nastavitelnou adresu.

Nejen PC, ale i měřící přístroj Nejen PC, ale i měřící přístroj Nutným předpokladem připojení PC do fyzikálního experimentu je existence přípojných míst jak na straně PC ( horní obrázek), tak na straně měřících přístrojů, jež jsou použity ve fyzikálním experimentu (spodní obrázek). Nutným předpokladem připojení PC do fyzikálního experimentu je existence přípojných míst jak na straně PC ( horní obrázek), tak na straně měřících přístrojů, jež jsou použity ve fyzikálním experimentu (spodní obrázek). Jakmile výrobci začali vybavovat měřící přístroje přípojnými konektory (standardní rozhraní),objevila se kromě sběru dat možnost ovládání přístrojů (obousměrný přenos rozhraní -PC).Na snímku zadní panel osciloskopu LeCroy s několika typy přípojných rozhraní. Jakmile výrobci začali vybavovat měřící přístroje přípojnými konektory (standardní rozhraní),objevila se kromě sběru dat možnost ovládání přístrojů (obousměrný přenos rozhraní -PC).Na snímku zadní panel osciloskopu LeCroy s několika typy přípojných rozhraní. …nakonec propojení PC s periferiemi zvládne každý průměrně nadaný student

Inteligentní měřící přístroje ?Inteligentní měřící přístroje !

Nestandardní rozhraní Nestandardní rozhraní Není-li možné připojení k PC přes standardní rozhraní, je nutné je realizovat pomocí různých zásuvných karet (prototypové karty) – nestandardní rozhraní.Ty ve většině případů lze od výrobců HW koupit,ale někdy je nutné je vlastními silami vyrobit. Není-li možné připojení k PC přes standardní rozhraní, je nutné je realizovat pomocí různých zásuvných karet (prototypové karty) – nestandardní rozhraní.Ty ve většině případů lze od výrobců HW koupit,ale někdy je nutné je vlastními silami vyrobit. Velmi rozšířené karty jsou typu DAQ, určené pro zpracování signálů ( A/D či D/A, multiplexované vstupy, kde vstupy bývají oddělené galvanicky pomocí optovazeb. Vyrábí se v pro různé sběrnice ( obr. vpravo nahoře je pro PCI-e) Velmi rozšířené karty jsou typu DAQ, určené pro zpracování signálů ( A/D či D/A, multiplexované vstupy, kde vstupy bývají oddělené galvanicky pomocí optovazeb. Vyrábí se v pro různé sběrnice ( obr. vpravo nahoře je pro PCI-e) Ukázka profesionální karty super rychlého A/D převodníku firmy GAGE je na snímku vedle.Je vidět,že karta je zásuvná do slotu PCI a vnější propojení na fyzikální experiment je pomocí BNC konektorů na analogový signál, spouštění a externí hodiny. Ukázka profesionální karty super rychlého A/D převodníku firmy GAGE je na snímku vedle.Je vidět,že karta je zásuvná do slotu PCI a vnější propojení na fyzikální experiment je pomocí BNC konektorů na analogový signál, spouštění a externí hodiny.

Nestandardní rozhraní Nestandardní rozhraní Prototypová karta nestandardní pro ovládání syntetizéru PTS500 byla navržena na KFNT.Zasouvá se do sběrnice ISA v PC a slouží pro jednosměrnou komunikaci (posílání dat z PC pro nastavení kmitočtu syntetizéru).Obsahuje adresový dekodér,mezipaměti (latch) pro načtení dat z PC a výstupní obvody přepínačů. Prototypová karta nestandardní pro ovládání syntetizéru PTS500 byla navržena na KFNT.Zasouvá se do sběrnice ISA v PC a slouží pro jednosměrnou komunikaci (posílání dat z PC pro nastavení kmitočtu syntetizéru).Obsahuje adresový dekodér,mezipaměti (latch) pro načtení dat z PC a výstupní obvody přepínačů. Propojení mezi PC a syntetizérem je pomocí jednoho datového kabelu. Propojení mezi PC a syntetizérem je pomocí jednoho datového kabelu. Z PC se posílá 10 bytů dat pro nastavení 2 různých kmitočtů. Z PC se posílá 10 bytů dat pro nastavení 2 různých kmitočtů. Dnešní provedení téhož s USB Dnešní provedení téhož s USB

Ovládací software, LabView Ovládací software, LabView