Sběr dat a řízení experimentu Data acquisition and process control

Outline 1.Nástin problematiky 2.Běžná rozhraní pro komunikaci s přístroji – RS-232 – GPIB (HP-IB) – VXI – USB – Ethernet 3.VISA standard, API 4.SCPI příkazy, syntaxe 5.Použití v LabVIEW

Měření a sběr dat Multiplexer A/D převodník Fyzikální veličina Měnič (Transciever) Analogový napěťový signál Filtry a zesilovače Upravený analogový napěťový signál Digitální data Fyzikální veličina Měnič (Transciever) Analogový napěťový signál Filtry a zesilovače Upravený analogový napěťový signál Fyzikální veličina Měnič (Transciever) Analogový napěťový signál Filtry a zesilovače Upravený analogový napěťový signál PC Rozhraní (Interface) Ovládání, příkazy

RS sériový (serial) port Vznik: 1962, Radio Sector of Electronic Industries Association (EIA) Myšlenka: zařízení typu DTE (Data Terminal Equipment, např. počítač, obecně ovladač) si povídá s jiným DTE, popřípadě DCE (Data Circuit-terminating equipment, např. modem, voltmetr) Realizace: serializace datového toku po 1 vodiči v každém směru, časování, signalizační vodiče (+ „handshaking“), zemnění Logické hodnoty: data „0“→ 3-15 V, „1“→ -3 až -15 V; signal. opačně Konektory: DB-25, DE-9 Omezení: 1 přístroj/port, max. ~ 15 m kabel (kapacita mezi vodiči), komunikace dle výrobce přístroje, nízká propustnost (~20kbit/s) Nastavení: baud rate, počet dat. bitů, stop bity, parita, flow control Specifika: na propojení dvou DTE je potřeba křížený (tzv. „Null modem“) kabel, kdežto na propojení DTE s DCE je kabel přímý

RS-232 schéma zapojení (pinout) SignalAbbrev.Origin DB-25DE-9 NameDTEDCE Transmitted DataTxD●23 Received DataRxD●32 Data Terminal ReadyDTR●204 Carrier DetectCD●81 Data Set ReadyDSR●66 Ring IndicatorRI●229 Request To SendRTS●47 Clear To SendCTS●58 Common Groundcommon75 Protective Groundcommon1—

RS-232 „Null modem“ kabel

GPIB (HP-IB, IEEE 488) Vznik: 60. léta, Hewlett Packard (→ „General Purpose Interface Bus“) Myšlenka: 1 controller ovládá až 14 dalších zařízení v režimech talk, listen spojených typicky v řetězovém(daisy-chained) uspořádání Realizace: 24 vodičů (8x data in/out, 5x řídící, 3x handshake, 8x země), zařízení jsou adresována 5-bitovými adresami z rozsahu 0-30, Event Status Register, Event Enable Register, Status Byte Logické hodnoty: neg. TTL (0-0.8 V „1“, 2 V-Vcc „0“; Vcc ~ V) Konektory: IEEE 488 (často propojovací – „piggyback“) Omezení: max. 14 přístrojů, ~ 20 m kabel (kapacita), rel. nízká propustnost (< 1 MB/s), pouze 1 datový přenos současně Nastavení: adresy zařízení se na přístrojích nastavují typicky ručně Specifika: nastavitelné adresy zařízení (pozor na konflikt více adres), režimy talk/listen/control, čekání na odezvu správného zařízení, od IEEE povinně implementovány příkazy SCPI

Schéma GPIB sběrnice

GPIB pinout a konektory Pin 1DIO1Data input/output bit. Pin 2DIO2Data input/output bit. Pin 3DIO3Data input/output bit. Pin 4DIO4Data input/output bit. Pin 5EOIEnd-or-identify. Pin 6DAVData valid. Pin 7NRFDNot ready for data. Pin 8NDACNot data accepted. Pin 9IFCInterface clear. Pin 10SRQService request. Pin 11ATNAttention. Pin 12SHIELD Pin 13DIO5Data input/output bit. Pin 14DIO6Data input/output bit. Pin 15DIO7Data input/output bit. Pin 16DIO8Data input/output bit. Pin 17RENRemote enable. Pin 18GND(wire twisted with DAV) Pin 19GND(wire twisted with NRFD) Pin 20GND(wire twisted with NDAC) Pin 21GND(wire twisted with IFC) Pin 22GND(wire twisted with SRQ) Pin 23GND(wire twisted with ATN) Pin 24Logic ground

USB – Universal Serial Bus Vznik: 90. léta, původně pro počítačová periferní zařízení (myš, kl.) Myšlenka: viz.název – rychlý sériový přenos dat (díky značnému pokroku v časovací elektronice) + omezené napájení zařízení, až 127 zařízení v úrovňovém hvězdicovém zapojení („tiered star“) Realizace: USB 1 (max. 1.5 MB/s) a USB 2.0 (eff. 35 MB/s) – 4 vodiče (VBUS, D-, D+, GND), USB 3.0 (max. 625 MB/s) – 9 vodičů (USB x SuperSpeed differential pair + GND DRAIN), 7-bitové adresy přidělené po připojení; pipes, endpoints Logické hodnoty: diferenciální, dle verze USB (low sp., full sp., hi sp.) Konektory: USB (A,B), miniUSB (A,AB,B), microUSB (A,AB,B), USB 3.0 Omezení: délka kabelu < 3-5 m, jinak zejména dostupnost některých měřících přístrojů či kompatibilita se zbytkem laboratoře Nastavení: není nutné, obstará controller Specifika: USB 3.0 vs. nižší – zpětná i dopředná kompatibilita konektorů (funguje na rychlosti pomalejšího USB)

USB konektory USB 2.0 USB 3.0

USB signalizace Logické hodnoty Low speed, Full speed: – V „lo“; V „hi“ Hi speed: -10 mV až +10 mV „lo“; mV „hi“ Stavy vodičů D+ a D- SE0: D+ lo, D- lo (15 kΩ pulldown) J: D+ hi, D- lo K: D+ lo, D- hi (1.5 kΩ) Zachování stavu K/J -> „1“, změna stavu K/J -> „0“, init. „KJKJKJKK“, end „00J“ Příklad komunikace pro Full speed USB (1.1)

Ethernet (physical layer)  IEEE Vznik: 1973 Xerox PARC (10 Mbit/s, 48-bitové adresy, ! koax. kabely) Myšlenka: propojení počítačů do lokální sítě, jiná zařízení, v packetu (frame) obsaženy informace o zdroji a cíli + kontrolní data Realizace: 4 páry Cu vodičů (twisted pairs) v kabelu Cat. 5 nebo 6, hvězdicová topologie sítě, switche, routery, každé zařízení má unikátní 48-bitovou MAC adresu (fyzická adresa), existují různé protokoly přenosu dat (TCP/IP –> stat./dynamické IP adresy) Logické hodnoty: Manchester encoded (závisí na druhu phys. layer) Konektory: dnes snad výhradně RJ45 (dříve BNC, D-SUB 15...) Omezení: délka kabelu až 100 m, ale z toho 90 m „solid cable“, tedy cca 10 m volného kabelu; jinak dostupnost některých přístrojů či kompatibilita (řešení např. GPIB/Ethernet) Nastavení: pro koncové uživatele vesměs není nutné, samozřejmě MAC adresy musí být unikátní (případné IP adresy taky) Specifika: rychlá komunikace (> 100 Gbit/s), přímé vs. X kabely

Ethernet frame, Manchester encoding Manc = Data XOR Clock Manc = Data XNOR Clock Ethernet frame structure

Virtual Instrument Software Architecture (VISA) Knihovna a API obsahující funkce pro komunikaci s přístroji po různých rozhraních, dnes velmi rozšířené standardní řešení Zde „virtual instrument“ = softwarová reprezentace přístroje nezávislá na použitém komunikačním rozhraní Sjednocení programovacích technik → přenositelnost Obslouží snadno RS-232, GPIB, USB, VXI i další, adresy zařízení či portů nahrazeny tzv. „VISA resource name“ Obsahuje obecné funkce pro posílání příkazů a čtení dat, ale také vybrané pokročilejší interface-specific funkce pro konfiguraci a řízení komunikace po konkrétním rozhraní Zavedeno ve VXIplug&play Alliance, dnes udržováno díky IVI Foundation (

Standard Commands for Programmable Instruments (SCPI) Standardní „povinné“ textové příkazy pro obsluhu měřících přístrojů, standardizovaná víceúrovňová syntaxe Vznik v rámci specifikací GPIB v IEEE 488.2, dnes velmi rozšířené např. i u USB přístrojů (u RS-232 jen vyjímečně) Každý SCPI-compliant přístroj zná kromě základních povinných příkazů také nadstavbové příkazy dle své funkce Dva druhy příkazů: command, query?, mnemotechnické zkracování příkazů (značeno velkými písmeny), řetězení příkazů Specifikaci opět udržuje IVI Foundation SCPI syntaxe: level0c:level1c:level2c param;level2q?;:level0c; Příklad zřetězených SCPI příkazů: *IDN?;CONFigure:VOLTage:DC;RANGe 0.1;:TRIG ON;

Základní SCPI příkazy MnemonicName488.2 Section *CLS Clear Status Command 10.3 *ESE Standard Event Status Enable Command *ESE? Standard Event Status Enable Query *ESR? Standard Event Status Register Query *IDN? Identification Query *OPC Operation Complete Command *OPC? Operation Complete Query *RST Reset Command *SRE Service Request Enable Command *SRE? Service Request Enable Query *STB? Read Status Byte Query *TST? Self-Test Query *WAI Wait-to-Continue Command 10.39

Komunikace s přístroji v LabView Mnoho možností realizace komunikace (high level → low level): 1.Ovladače pro zařízení od National Instruments jsou často zabudovány v LV (DAQ karty → Express VI „DAQ Assistant“) 2.Ovladače pro LV od výrobce zařízení nebo z internetu 3.Express VI „Instrument Assistant“ 4.IVI Class drivers (dle druhu přístroje) 5.Funkce VISA architektury (VISA Open, VISA Clear, VISA Write, VISA Read, VISA Close + interface-specific) 6.Funkce pro obsluhu individuálních rozhraní GPIB, RS-232,... Detekce a testování připojených zařízení: přímo v LabView, např. zasláním *IDN? a přečtením odpovědi lépe → NI Measurement & Automation eXplorer (NI MAX)

The beginning...