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

Fyzikální experiment a PC Připojení PC k fyzikálnímu experimentu neznamená pouze propojení kabelů mezi jednotlivými díly celého systému.Znamená komplexní návrh jak hardware, tak software.Obvykle se snažíme použít co nejvíce „hotových věcí“ (měřící přístroje,prototypové karty,software),aby byla minimalizována část „vlastní“ výroby HW zařízení a software.Celý proces vyžaduje značné znalosti z elektroniky,výpočetní techniky a programování.

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

PC Periferní zařízení xx Periferní zařízení xx PC Způsob propojení prostřednictvím USB nebo HPIB Busu Propojení PC s periferními zařízeními je na první pohled jednoduché.Ovšem v praxi je většinou u každého zařízení jiný způsob připojení.A kromě toho, topologie umístění zařízení v laboratoři vyžaduje dlouhé měřící kabely. Z toho všeho nakonec vyplývají na propojení obvykle vyšší technické nároky.

Vstupně/výstupní porty PC Standardní rozhraní PC Centronix – paralelní port , LPT,8bitový,hlavně pro tiskárny RS232 – sériový port,COM USB – sériový nové generace PS2 - např.myš,klávesnice FireWire, Bluetoth,Ethernet, WIFI (bezdrátové) Nestandardní Prototypová deska do slotu existuje jich velké množství, např. HPIB (GPIB) Bus, různé A/D či D/A převodníky aj. Desky s přídavnými porty Formát základní desky AT, ATX, uATX- umístění konektorů na zadní straně MB Na MB jsou dále různé porty, patice, sloty a piny (pro jumpery)

PC porty - Centronix Standardní rozhraní (v/v) Paralelní port – Centronix paralelní přenos dat (8bitů) původní verze jednosměrná inovovaná obousměrný přenos (EPP či ECP) adresa LPT1 je 378h (dekadicky 888,binárně 1101111000 ) LPT2 je 278h port zabírá kromě bázové adresy ještě 2 další ( viz obsazení registrů na dalším obrázku)

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

PC porty - RS232 Sériový port RS232 – jeden z původních portů PC.Omezený počet,omezená rychlost přenosu dat 115kBd.Nelze řetězit.Kromě myši, modemu lze připojit různá jiná v/v do 15m.

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). 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 ?

Nejen PC , ale i měřící přístroj PC lze propojit v systému v zásadě dvěma způsoby : - jednostranně měřená data získaná měřící aparaturou jsou přiváděna do PC,uložena na HDD s následnou možností zpracování – „sběr dat“. I v kategorii jednoduchých měřících přístrojů se prosazují modely vybavené připojením na PC.Příkladem na obrázku multimetr fy.METEX 3610D, vybavený rozhraním RS232. Pro dosažení dobrého oddělení od okolí je rozhraní odděleno pomocí optických vazebních členů. Takto lze například jednoduše automatizovat měření průběhu napětí,teploty aj. oboustranně kromě výše uvedeného sběru dat máme možnost řídit celou aparaturu pomocí PC „on-line“ .

Nejen měřící přístroj,ale i PC

Vybavení – FFT,Averaging

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

PC porty – další porty WIFI – Wireless Fidelity – WLAN - bezdrátová síť v pásmu 2,4 GHz.Náhrada kabelové sítě Ethernet.Princip přenosové trasy podobný mobilním telefonům (celulární buňky) – velký dosah.Problém je ve vzájemném rušení provozovatelů. Přenosová rychlost do 10Mb/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 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

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

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. 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 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. Z PC se posílá 10 bytů dat pro nastavení 2 různých kmitočtů. Dnešní provedení téhož s USB

Ovládací software , LabView