Методика сопряжения системы виртуальных инструментов и приборов с универсальным контроллером X-Mega

УДК 621.317.7

В.М. Дмитриев, Т.Н. Зайченко, Т.В. Ганджа, В.В. Ганджа

Методика сопряжения системы виртуальных инструментов и приборов с универсальным контроллером X-Mega

Рассмотрена методика сопряжения системы виртуальных инструментов и приборов, основанная на компонентном многоуровневом представлении виртуальных генераторов и измерительных приборов, с реальным объектом с помощью универсального контроллера X-Mega. С помощью реализованных компонентов осуществляется взаимодействие программного обеспечения с контроллером, управляющим аппаратно-программным комплексом «Лабораторное автоматизированное рабочее место», который применяется для реализации виртуально-физических лабораторий по различным техническим дисциплинам, а также для научных исследований и разработки систем измерения и управления различными техническими объектами. Ключевые слова: аппаратно-программный комплекс, контроллер, виртуальный прибор, многоуровневая модель.

В современном образовании осуществляется переход от существующих методов проведения лабораторных исследований учебного и научно-исследовательского характера к более совершенным образовательным технологиям - информационно-коммуникационным, на основе которых формируется современное информационное общество. На сегодняшний день в процесс обучения техническим дисциплинам внедряются различные средства автоматизации выполнения учебных и научно-исследовательских экспериментов над техническими объектами. Рынок наполняется дорогостоящим измерительным оборудованием, которое сложно для освоения при выполнении лабораторных работ учебного характера и исследований в рамках научной работы студентов и развиваемого группового проектного обучения. На смену такому оборудованию приходит специализированное программное обеспечение, позволяющее из графических компонентов и примитивов и интегрированных с ними математических блоков обработки результатов измерений сформировать виртуальные инструменты и приборы для автоматизации экспериментальных исследований. Одним из таких комплексов является система LabView [1] фирмы National Instrument. Обладая достаточным набором компонентов для построения виртуальных приборов, данная система сложна для освоения студентами, позволяет интегрироваться только с аппаратно-программным комплексом Elvis и системой датчиков, установленных на нем, а также обладает достаточно большой стоимостью пакета, позволяющего формировать виртуальные инструменты и приборы. Для интеграции виртуальных приборов системы LabView с контроллерами других фирм необходимо разработать соответствующий язык и его интерпретатор, что является нетривиальной задачей.

В качестве альтернативы системе LabView разработана система виртуальных инструментов и приборов (СВИП) [2]. В ее основе лежит многоуровневый компонентный подход создания виртуального прибора, обладающего легким и функционально достаточным интерфейсом для автоматизированного выполнения лабораторных исследований. Созданные с помощью СВИП виртуальные приборы допускают интеграцию с различными аппаратно-программными комплексами, функционирующими под управлением программ, написанных на разработанном языке программирования контроллеров X-Robot [3]. Эта интеграция реализована в виде набора определенных согласующих компонентов, осуществляющих чтение данных с контроллера комплекса «Лабораторное автоматизированное рабочее место» (ЛАРМ) и управление параметрами встроенных в него источников и генераторов сигналов. В качестве примера в данной работе рассматривается набор компонентов, предназначенных для интеграции СВИП с измерительно-управляющим контроллером X-Mega, работа которого основана на универсальном драйвере FTDI [4]. На базе такой интеграции создана новая версия аппаратно-программного комплекса ЛАРМ [5].

Сопряжение среды многоуровневого компьютерного моделирования с универсальным контроллером. Схема взаимодействия аппаратно-программного комплекса ЛАРМ с системой виртуальных инструментов и приборов приведена на рис. 1, которая включает в себя:

1) реальный исследуемый объект, который формируется из реальных компонентов на коммутационной плате;

2) приборы аппаратно-программного комплекса ЛАРМ [5], в которые входят источники и генераторы сигналов, а также измерительные приборы. ЛАРМ оснащен источником изменяемого напряжения в диапазоне от 0 до 12 В, а также генератором сигналов, позволяющим генерировать сигналы основных трех форм (синусоидальной, прямоугольной и треугольной), а также программируемой формой сигнала, один период которого формируется по точкам в компьютере и пересылается в ЛАРМ. Сигналы перечисленных форм могут иметь частоту от 50 Гц до 2 МГц. К измерительным приборам относятся вольтметр, осуществляющий измерения напряжения относительно общей для всех приборов Земли в диапазоне от 0 до 12 В, амперметр, производящий измерение тока в диапазоне от 0 до 100 мА, а также двухканальный осциллограф, позволяющий исследовать два сигнала переменного напряжения с размахом 20 В;

3) измерительно-управляющий контроллер X-Mega, работающий под управлением программы, написанной на языке управления механизмами X-Robot [3]. В отличие от существующих языков программирования контроллеров, он поддерживает до 254 параллельных процессов, обеспечивая их синхронизацию. Управление каждым процессом может осуществляться из компьютера в виде кадра определенного вида, включающего в себя идентификатор команды и ее один целочисленный атрибут;

4) в качестве драйвера используется универсальный драйвер FTDI [4], позволяющий организовать дуплексный обмен данными между аппаратно-программным комплексом ЛАРМ и функционирующим на компьютере программным обеспечением с достаточной скоростью;

5) виртуальный прибор (ВП), представляющий собой реализованный на компьютере оконный интерфейс, имитирующий на компьютере логику работы реального прибора и предназначенный для генерации сигналов на реальный объект и для отображения результатов измерения.

_Вызовы команд управления контроллером

Рис. 1. Схема взаимодействия реального объекта, аппаратно-программного комплекса ЛАРМ и системы виртуальных инструментов и приборов

Многоуровневое представление виртуального прибора. Для формирования ВП, позволяющего осуществлять взаимодействие с аппаратно-программным комплексом ЛАРМ, используется система виртуальных инструментов и приборов [2]. Создаваемый в ней на основе компонентного подхода виртуальный прибор включает в себя:

- лицевую панель, представляющую собой оконный интерфейс в виде замкнутой экранной области, в которой с помощью визуальных компонентов осуществляется визуализация результатов измерений, а также располагаются органы управления параметрами прибора;

- схему алгоритма функционирования прибора, содержащую блоки приема и математической обработки данных измерения приборами комплекса ЛАРМ для их визуализации, алгоритмы анализа событий-действий пользователя с визуальными компонентами и блоки формирования команд управления контроллером, представленные в виде соответствующих кадров;

- интерфейс взаимодействия с исследуемым объектом, реализуемый в виде программы, написанной на языке Х-ЯоЬо1 и записанной в контроллер Х-Ме§а, входящий в состав аппаратно-программного комплекса ЛАРМ.

Формирование виртуальных приборов осуществляется в графическом редакторе СВИП из компонентов, включенных в библиотеку компонентов. При этом для отделения лицевой панели прибора от схемы алгоритма его функционирования и интерфейса связи с исследуемым объектом графический редактор разделен на два слоя (визуальный и логический). Взаимодействие между ними осуществляется путем отображения визуальных компонентов на двух слоях одновременно. Взаимодействие виртуального прибора с исследуемым объектом осуществляется путем формирования и отправки команд, сформированных в формате языка Х-ЯоЬо^ а также приема массива данных в режиме реального времени. Для осуществления этого в реальном масштабе времени в рамках системы ВИП реализован многопоточный режим. В нем выделяются и реализуются взаимосвязанные два потока:

1) поток чтения данных с контроллера;

2) поток отображения данных и формирования управляющих команд, отправляемых в контроллер.

Таким образом, методика взаимодействия системы виртуальных инструментов и приборов с универсальным контроллером Х-Ме§а, на базе которого реализуется аппаратно-программный комплекс ЛАРМ, включает в себя язык программирования контроллеров Х-ЯоЬо1 и набор компонентов взаимодействия созданных в СВИП виртуальных приборов с универсальным контроллером Х-Ме§а. Это взаимодействие реализовано с помощью компонентов, выполняющих следующие команды:

- запуск измерительно-управляющего контроллера;

- чтение кадров со значениями наблюдаемых переменных реального ИО с измерительных устройств (датчиков) в режиме реального времени;

- запись команд управления контроллером, преобразующим их в информационные воздействия, передаваемые исполнительным устройствам, осуществляющим энергетические воздействия на реальный ИО.

Компоненты взаимодействия системы ВИП с универсальным контроллером X-Mega. Перечисленные команды взаимодействия системы ВИП с измерительно-управляющим контроллером, функционирующим на базе языка управления механизмами Х-ЯоЬо1 [8], реализованы в виде набора компонентов, входящих в схему алгоритма функционирования прибора:

1. Компонент «Запуск/остановка контроллера» (рис. 2) по сигналу Сь поступающему на узел п1, производит инициализацию и запуск измерительно-управляющего контроллера. По сигналу С2, приходящему на узел п2, производится завершение работы контроллера и его останов.

2. Компонент «Чтение данных» (рис. 3) осуществляет чтение данных измерения наблюдаемых характеристик реального СТО. Он начинает считывать данные с N датчиков одновременно после того, как на узел п0 поступит сообщение с истинным значением. Результаты измерений с помощью узлов п1, п2, ..., ^ будут передаваться на средства обработки и визуализации результатов, представленные компонентами.

3. Компонент «Запись команды в контроллер» (рис. 4) реализован с учетом того, что каждая команда контроллера, обозначаемая некоторым двухбайтовым шестнадцатеричным числом, включает в себя один целочисленный параметр, задаваемый в виде шестнадцатеричного числа, которое может задаваться соответствующим источником. Команда С поступает в компонент с помощью узла п1, а ее аргумент Р1 - с помощью узла п2. Запись сформированной в компоненте команды в контроллер осуществляется по разрешающему сигналу, поступающему в компонент через узел п3.

На рис. 5 приведена алгоритмическая компонентная цепь виртуального прибора, в которой фрагментами показаны подцепи пуска и останова контроллера (рис. 5, а), чтения данных и отправки их на средства обработки и визуализации (рис. 5, б) и формирование команды изменения частоты генератора синусоидального сигнала (рис. 5, в).

Аналогичным образом с помощью реализованных математических, логических и алгоритмических компонентов можно формировать любую команду

управления и записывать ее в контроллер для выполнения им в требуемый момент с помощью сигнала, поступающего на узел п3 (см. рис. 4).

Start Stop

Start

bi

^-owi in

^-oiC

Рис. 2. Компонент «Запуск/остановка контроллера»

¿о

RD

Ъ\ Ьх

h^oilV

Рис. 3. Компонент «Чтение данных»

г-i bl

С1

газ

Сот

Рис. 4. Компонент «Запись команды в контроллер»

Start

Start Stop

-Sfn

End Bs™

-Sfn

— —1— RD1 и О о

RD 1-1. 1 ID

п'- —1 1

С XRoboii

Рис. 5. Алгоритмическая компонентная цепь формирования команды изменения частоты генератора

синусоидального сигнала

Заключение. Предложенная методика сопряжения системы виртуальных инструментов и приборов с контроллером Х-Ме§а открывает возможности быстрого и легкого создания виртуальных приборов для целей автоматизации лабораторных экспериментов учебного и научного характера. В настоящее время для исследования электрических цепей и электронных схем на базе данного контроллера со встроенным в него интерпретатором Х-ЯоЬо1 реализован аппаратно-программный комплекс ЛАРМ, включающий в себя соответствующий набор источников, генераторов и измерительных приборов.

С их помощью любой пользователь получает возможности формирования виртуальных приборов и написания управляющих программ для их взаимодействия с измерительно-управляющим контроллером, на котором установлен интерпретатор языка Х-ЯоЬо^ для целей исследования и разработки алгоритмов управления техническими объектами.

б

а

в

Литература

1. Пейч Л.И. LabView для новичков и специалистов / Л.И. Пейч, Д.А. Точилин, Б.П. Поллак. -М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 384 с.

2. СВИП - система виртуальных инструментов и приборов / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа, В.В. Ганджа, Ю.И. Мальцев. - Томск: В-Спектр, 2014. - 216 с.

3. Мальцев Ю.И. Язык управления механизмами X-Robot // Электронные средства и системы управления: матер. докл. IX Междунар. науч.-практ. Конф. (30-31 октября 2013 г.): В 2 ч. - Ч. 2. -Томск: В-Спектр, 2013. - C. 114-118.

4. FTDI Chip Home Page [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ftdichip.com/, свободный (дата обращения: 20.02.2015).

5. Дмитриев В.М. Концепция лабораторного автоматизированного рабочего места на архитектуре ARM / В.М. Дмитриев, В.В. Ганджа // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2014. - № 1 (31). - С. 171-173.

6. Дмитриев В.М. Система визуализации и управления вычислительным экспериментом в среде многоуровневого моделирования МАРС / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа, Т.Ю. Коротина // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2010. - № 1 (21). - Ч. 2. - С. 149-155.

7. Дмитриев В.М. Принцип формирования многоуровневых компьютерных моделей SCADA-систем для управления сложными технологическими объектами / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа // Информатика и системы управления. - 2013. - № 2 (36). - С. 24-35.

8. Ганджа Т.В. MARS-Engine - средство использования виртуальных приборов // Современное образование: практико-ориентированные технологии подготовки инженерных кадров: материалы междунар. науч.-метод. конф., 29-30 января 2015 г., Россия, Томск. - Томск: Изд-во Том. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники, 2015. - С. 49-50.

Дмитриев Вячеслав Михайлович

Д-р техн. наук, профессор, зав. каф. моделирования и системного анализа (МиСА) ТУСУРа

Тел.: 8 (382-2) 41-39-15

Эл. почта: dmitriewvm@gmail.com

Зайченко Татьяна Николаевна

Д-р техн. наук, профессор каф. МиСА ТУСУРа

Тел.: 8 (382-2) 41-39-15

Эл. почта: ztntomsk@rambler.ru

Ганджа Тарас Викторович

Канд. техн. наук, доцент каф. МиСА ТУСУРа

Тел.: 8 (382-2) 41-39-15

Эл. почта: gandgatv@gmail.com

Ганджа Василий Викторович

Аспирант каф. МиСА ТУСУР Тел. 8 (382-2) 41-39-15 Эл. почта: vasivik@gmail.com

Dmitriev V.M., Zaychenko T.N., Gandzha T.V., Gandzha V.V.

Interface of visual instruments and devices with a universal X-Mega controller

The article describes the method of conjugation system of virtual instruments and devices based on multilevel representation of the components generators and virtual instruments, a real object using a universal X-Mega controller. With the implementation of the components, the software interacts with the controller which controls the hardware complex «Laboratory Workstation», which is used for the implementation of virtual-physical laboratories in various technical disciplines, and also can be used for research and development of measurement and control of various technical objects.

Keywords: hardware-software system, controller, virtual instrument, multilevel model.