III. Kỹ thuật lập trình nâng cao trong LabView:
1. Liên kết thiết bị ảo với thiết bị phần cứng:
a. Thư viện DAQ trong Labview:
Thư viện DAQ VIs nằm trong Panel Function → Data Acquisition gồm các lớp khác nhau của DAQ. DAQ được chia thành 6 lớp cơ bản sau:
- Analog Input VIs - Analog Output VIs - Digital I/O VIs - Counter VIs
- Calibration and Configuration VIs - Signal Conditioning VIs
Các DAQ được chia thành các mức khác nhau tuỳ theo mức độ tác động của chúng. Các DAQ được chia thành 4 mức:
• Easy VIs
• Intermediate VIs
• Utility VIs
• Advanced VIs
- Ngoài ra, LabVIEW còn có thư viện cho các hệ thống Card chuyên dụng của hãng NI.
Để đưa dữ liệu vào/ra các cổng song song, nối tiếp của máy tính ta có thể sử dụng các VIs vào ra của LabVIEW.
3.2.2 Cấu trúc cơ bản của DAQ
Thiết bị ảo được xem như là một công cụ liên kết giữa thiết bị phần cứng và phần mềm của thiết bị đo lường, được tạo ra bởi người sử dụng với
các tiêu chuẩn của máy tính. Hãng National Instruments đã phát triển phần cứng và phần mềm điều khiển để thu nhận dữ liệu (DAQ), phân tích, biểu diễn và lưu giữ dữ liệu ở các dạng khác nhau. Phần mềm điều khiển là một chương trình nối ghép giữa thiết bị phần cứng và các chức năng mở rộng của các thiết bị cơ bản. Phần mềm ứng dụng có thể là LabVIEW, LabWindows/CVI, ComponentWorks và các công cụ đo lường cơ bản, mở
rộng để hiển thị và phân tích các kết quả của thiết bị ảo.
Thiết bị ảo được sử dụng để tạo ra hệ thống theo yêu cầu của kiểm tra, đo lường và kỹ thuật tự động hoá, phù hợp với phần cứng nối ghép và phần mềm thành phần. Nếu hệ thống thay đổi, ta có thể thay đổi thiết bị ảo mà không cần phải thay đổi phần mềm và phần cứng.
* DAQ (data acquisition ).
Nhiệm vụ cơ bản của tất cả các hệ thống đo lường là đo và tạo ra các tín hiệu vật lý thực tế. Điểm khác biệt lớn nhất của các thiết bị là phương thức truyền giữa thiết bị đo lường và máy tính. Thiết bị DAQ đa năng là thiết bị kết nối tới máy tính và nó cho phép truy xuất tín hiệu số. Thiết bị DAQ
cho phép liên kết trực tiếp với bus của máy tính thông qua khe cắm mở rộng.
Một vài thiết bị DAQ ở bên ngoài cho phép liên kết với máy tính thông qua cổng nối tiếp, IEEE 488 (GPIB), hoặc cổng ethernet. Thiết bị DAQ cho phép biến đổi tín hiệu vào thành tín hiệu số và gửi chúng tới máy tính ( tới phần mềm bên trong máy tính ). Phần mềm ứng dụng sử dụng các dữ liệu đó để đo lường, điều khiển và hiển thị dữ liệu bên trong máy tính, đồng thời gửi dữ liệu đó trở lại thiết bị đo lường. Phương pháp này có tính mềm dẻo cao vì có thể sử dụng một thiết bị phần cứng cho nhiều dạng kiểm tra và có thể phát triển thêm các ứng dụng khác cho các dạng kiểm tra. Thiết bị DAQ đa năng rất thích ứng sử dụng để số hoá dữ liệu của thiết bị đo lường.
kết với máy tính. Đối với mỗi bộ công cụ đo lường cụ thể sẽ có những giao thức cụ thể với máy tính tuỳ theo việc chúng liên kết với máy tính thông qua Ethernet, Serial,GPIB hoặc VXI.
Trên hình I.25, trình bày hai dạng lựa chọn của thiết bị DAQ. Trong lựa chọn A, hệ thống thiết bị DAQ nằm bên trong máy tính. Trong lựa chọn B, thiết bị DAQ nằm ở bên ngoài máy tính. Với bảng mạch mở rộng nằm ở
bên ngoài ta có thể xây dựng hệ thống DAQ liên kết với máy tính mà không cần đến khe căm mở rộng, ví dụ như máy tính sách tay. Khi này, máy tính và modul DAQ giao tiếp với nhau thông qua nhiều loại kênh khác nhau như : Cổng song song, cổng nối tiếp, Ethernet. Đây là hệ thống thực hiện thu nhận dữ liệu từ xa và điều khiển ứng dụng.
Hình I.25: Các dạng lựa chọn của thiết bị DAQ
Trên hình I.25 không thể hiện lựa chọn thứ 3, lựa chọn này sử dụng bus PCMCIA ( Personal Computer Memory Card international Association) có trong một số máy tính xách tay. Một thiết bị PCMCIA liên kết với máy tính và truyền tín hiệu tới bo mạch như trong sự lựa chọn A. Đây chính là sự linh động và chặt chẽ của hệ thống DAQ.
*Mối quan hệ giữa LabVIEW với thiết bị DAQ.
Máy tính thu nhận dữ liệu thô, phần mềm nhận dữ liệu thô đó và chuyển đổi nó thành dạng chuẩn mà người sử dụng có thể hiểu được. Phần mềm mã hoá dữ liệu thành dạng có thể thể hiện trong đồ thị, biểu đồ hoặc trong file của report. Phần mềm không chỉ tác động vào hệ thống DAQ mà còn có tác động đối với thiết bị DAQ khi chúng thu nhận dữ liệu, cũng như là đối với các kênh khi chúng nhận dữ liệu.
Đặc trưng cho phần mềm của DAQ bao gồm bộ điều khiển và phần mềm ứng dụng. Những bộ điều khiển chỉ tác động đối với một loại thiết bị nhất định, chúng bao gồm các lệnh điều khiển chức năng thiết bị. Phần mềm ứng dụng ( thí dụ như LabVIEW ) gửi các lệnh tới bộ điều khiển, ví dụ như khi có dữ liệu chúng thực hiện 2 công việc: đọc dữ liệu vào và đưa dữ liệu ngược trở lại khi có kết quả phân tích và hiển thị dữ liệu.
LabVIEW bao gồm các VIs cho phép thay đổi cấu trúc dữ liệu nhận được và gửi dữ liệu tới thiết bị DAQ. LabVIEW DAQ VIs có thể gọi tới các
NI-DAQ ghép nối với chương trình ứng dụng ( API - Application Program Interface). Trong NI-DAQ API chứa các công cụ và các hàm cơ bản để liên kết với phần cứng của thiết bị DAQ.
NI-DAQ là phần mềm điều khiển của thiết bị NI-DAQ, nó thiết lập giao tiếp giữa LabVIEW với thiết bị đo lường. Hãng NI chỉ cung cấp phần mềm điều khiển cho liên kết với một số bộ công cụ đo lường đặc biệt, bao
LabVIEW, phần mềm điều khiển và phần cứng đo lường. LabVIEW VIs đưa
tới phần mềm điều khiển để kết nối với phần cứng đo lường.
* Cấu trúc cơ bản của DAQ.
Ngày này, các nhà khoa học và các kỹ sư sử dụng máy tính PC với PCI, PXI/CompactPCI, PCMCIA, USB, IEEE 1394, ISA, cổng nối tiếp, cổng song song để thu nhận dữ liệu trong phòng thí nghiệm,kỹ thuật tự động hoá, thử nghiệm và đo lường. Nhiều ứng dụng sử dụng thiết bị thu nhận dữ liệu và chuyển chúng tới bộ nhớ máy tính. Mức độ chính xác của kết quả từ hệ thống thu nhận dữ liệu tới máy tính phụ thuộc vào mỗi phần tử trong hệ thống (Hình I.27).
LabVIEW VIs
Phần mềm điều khiển
Phần cứng đo lường
Hình I.26: Mối quan hệ giữa LabVIEW, phần mềm điều khiển và phần cứng đo lường
Các thành phần của hệ thống bao gồm:
- Máy tính PC (Personal Computer).
- Bộ chuyển đổi (Transducers).
- Điều hoà đường truyền tín hiệu (Signal Conditioning).
- Phần cứng DAQ ( DAQHardware).
- Phần mềm (Software ).
+ Máy tính PC.
Ngày nay, máy tính PC được trang bị những tiêu chuẩn mới là bus PCI và USB, mặc dù bus ISA ít được sử dụng hơn. Cùng với sự phát triển của PCMCIA, USB và IEE 1394 thì hệ thống DAQ PC có nhiều sự lựa chọn linh động hơn trước đây. Bởi vì DAQ sử dụng truyền nối tiếp RS – 232 hoặc RS – 485 bị hạn chế bởi tốc độ đường truyền dữ liệu. Khi lựa chọn thiết bị DAQ
và cấu trúc bus cần phải lưu ý đến phương thức truyền để khả năng truyền dữ liệu của máy tính không làm ảnh hưởng tới hệ thống DAQ của bạn. Máy tính PC có chương trình hỗ trợ I/O và truyền các ngắt.
Ngày nay, các máy tính PC đều có thể truy xuất trục tiếp bộ nhớ (DMA - Direct memory access), điều này làm tăng tốc độ truyền khi truyền dữ liệu từ phần cứng chuyên dụng tới bộ nhớ máy tính. Phương thức truyền đó giúp bộ xử lý không bị nghẽn khi di chuyển dữ liệu và trong các thao tác xử lý phức tạp. Việc chọn phương thức truyền ảnh hưởng đến năng suất truyền của thiết bị DAQ. Nhân tố giới hạn đôi khi chính là thiết bị phần cứng, thời gian truy nhập đĩa và các phân vùng của đĩa cứng làm ảnh hưởng lớn tới dòng dữ liệu và tốc độ truyền dữ liệu. Đối với những hệ thống có tần số tín hiệu lớn đòi hỏi đĩa cứng của máy tính PC phải có tốc độ cao và trên đĩa có đủ khoảng trống để chứa dữ liệu. Thêm vào đó, đĩa cứng phải có đủ khoảng trống để hệ điều hành chạy và thực hiện sắp sếp dữ liệu vào đĩa. ứng dụng đòi hỏi xử lý thời gian thực của tín hiệu tần số lớn cần có tốc độ xử lý
như là bo mạch DSP (digital signal processing). Tuy nhiên, với những ứng dụng chỉ cần thực hiện việc đọc dữ liệu ra trong 1 hoặc 2 giây thì những máy tính cấp thấp cũng có thể đáp ứng.
+ Bộ chuyển đổi và điều hoà đường truyền tín hiệu.
Bộ chuyển đổi có khả năng chuyển đổi hiện tượng vật lý thành tín hiệu điện đưa đến DAQ của hệ thống đo lường. Trong một số trường hợp, tín hiệu điện nhận được tương ứng với tín hiệu vật lý của thiết bị, tín hiệu điện nhận được từ bộ chuyển đổi chính là tham số đánh giá dải thông tin đầu vào của thiết bị DAQ.
Điều hoà đường truyền tín hiệu giúp khuếch đại tín hiệu mức thấp, tách và lọc tín hiệu để có kết quả đo chính xác. Ngoài ra, một số bộ chuyển đổi sử dụng điện áp đầu vào làm tín hiệu kích để tạo ra điện áp trên đầu ra.
Hình I.28 mô tả hệ thống DAQ với bộ điều hoà đường truyền tín hiệu SCXI (Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation ) của hãng NI.
Hình I.28 mô tả hệ thống DAQ với bộ điều hoà đường truyền tín hiệu SCXI.
những ứng dụng quan trọng.
- Một ứng dụng phổ biến của điều hoà đường truyền tín hiệu là khuếch đại. Tín hiệu mức thấp được khuếch đại lên để tăng độ phân giải và giảm bớt nhiễu. Để có độ chính xác cao, điều đường truyền tín hiệu khuếch đại tín hiệu lên để đảm bảo đầu vào bộ ADC.
- Một ứng dụng khác của điều hoà đường truyền tín hiệu là tách tín hiệu từ máy tính. Hệ thống sẽ tách các tín hiệu chuyển đổi bị hỏng từ máy tính khỏi điều hoà đường truyền tín hiệu. Tách tín hiệu còn giúp việc đọc tín hiệu từ thiết bị DAQ vào không bị thay đổi bởi các tín hiệu khác.Sử dụng chức năng tách tín hiệu của modul điều hoà đường truyền tín hiệu giúp tạo ra tín hiệu chính xác cho hệ thống.
- Multiplexing (dồn) là một kỹ thuật phổ biến của các dụng cụ đo lường tín hiệu, phần cứng của điều hoà đường truyền tín hiệu của tín hiệu analog cung cấp Multiplexing. Modul SCXI của tín hiệu analog có thể có tới 3.072 tín hiệu đo lường với một thiết bị DAQ. Đây là một điểm đặc biệt trong thiết bị DAQ.
- Filter: Kết quả của bộ lọc là loại bỏ các tín hiệu không cần thiết khỏi tín hiệu của thiết bị đo lường. Đối với loại tín hiệu một chiều, bộ lọc làm suy giảm các tín hiệu tần số thấp để tăng độ chính xác cho các thiết bị đo. Ví dụ, nhiều modul SCXI sử dụng 4Hz và 10kHz làm mức cho qua bộ lọc để loại trừ tín hiệu nhiễu trước khi đưa tín hiệu đi số hoá bằng thiết bị DAQ. Đối với tín hiệu xoay chiều, thường phải sử dụng các dạng bộ lọc khác như bộ lọc răng cưa. Một số thiết bị cơ bản được thiết kế cho tín hiệu đo lường xoay chiều như: NI 455x, NI 445x và NI 447x.
- Tuyến tính hoá: Chức năng phổ biến của điều hoà đường truyền tín hiệu là tuyến tính hoá. Nhiều bộ chuyển đổi có đáp ứng không tuyến tính đối với sự thay đổi của đầu vào. Hãng NI đã tạo ra NI-DAQ, LabVIEW,
Trong thực tế, tín hiệu đo lường chịu ảnh hưởng của môi trường xung
quanh làm thay đổi kết quả đo lường. Do đó, modul điều hoà đường truyền tín hiệu là không thể thiếu trong hệ thống DAQ.
+ Phần cứng DAQ.
- Đầu vào analog:
Đặc điểm kỹ thuật của đầu vào analog trên đa số sản phầm DAQ cho biết số của kênh, tốc độ lấy mẫu, mức lượng tử hoá và khoảng đầu ra.
+ Số của kênh: Số của kênh đầu vào analog là định nghĩa của cả đầu vào đơn và đầu vào vi sai dành cho thiết bị có cả hai dạng đầu vào đó. Các đầu vào đơn có cùng tham chiếu. Những đầu vào đó được đặc trưng khi tín hiệu đầu vào ở mức thấp ( lớn nhất là 1V), thì sớm pha giữa tín hiệu nguồn với đầu vào analog của phần cứng là rất ngắn ( nhỏ nhất bằng 15 fut) và tất cả các đầu vào sử dụng chung một tham chiếu. Nếu tín hiệu không phù hợp với các tiêu chuẩn thì không thể sử dụng đầu vào vi sai. Với đầu vào vi sai, mỗi đầu vào căn cứ một tham chiếu riêng, điều này làm giảm nhiễu bởi vì những kiểu nhiễu phổ biến bị loại bởi sự sớm pha và không thể đưa đến đầu ra.
+ Tốc độ lấy mẫu: Khoảng lấy mẫu là tham số xác định cho quá trình chuyển đổi. Tốc độ lấy mẫu lớn thì sẽ có được nhiều dữ liệu trong một đơn vị thời gian, do đó trong trường hợp này biểu diễn tín hiệu gốc tốt hơn.
+ Multiplexing (Dồn): Đây là một kỹ thuật phổ biến trong các thiết bị đo lường tín hiệu.
+ Độ phân giải: Độ phân giải của thiết bị DAC biểu thị bằng số bít của tín hiệu số đầu ra. Số bít càng nhiều thì sai số lượng tử hoá càng nhỏ, độ chính xác càng cao. Hình 3 thể hiện dạng sóng hình sin và hình ảnh số hoá tương ứng nhận được bởi ADC theo tiêu chuẩn 3 bít.
+ Dải: Dải được xem là khoảng từ giá trị điện áp thấp nhất đến giá trị điện áp cao nhất mà ADC có thể lượng tử hoá được.
+ Độ rộng mã hoá: Thiết bị DAQ có dải, độ phân dải và những tiện ích sẵn có thể xác định được sự thay đổi rất nhỏ của điện áp. Sự thay đổi trong điện áp được thể hiện ở bít có trọng số nhỏ nhất (LSB) của giá trị digital và được gọi là độ rộng mã hoá.
- Đầu ra analog:
Đầu ra analog thường được bố trí phụ thuộc vào tác nhân kích thích của hệ thổng DAQ. Đặc điểm kỹ thuật của bộ DAC ( digital-to-analog converter) quyết định chất lượng của tín hiệu đầu ra sản phẩm như: thời gian xác lập, tốc độ chuyển đổi và độ phân giải đầu ra.
+ Thời gian xác lập: Thời gian xác lập là thời gian từ khi tín hiệu số được đưa vào đến khi dòng điện hoặc điện áp đầu ra ổn định.
+ Tốc độ chuyển đổi: Tốc độ chuyển đổi là giá trị tốc độ lớn nhất của DAC để trên đầu ra có tín hiệu. Thời gian xác lập và tốc độ chuyển đổi trong
quá trình làm việc quyết định sự thay đổi của mức tín hiệu đầu ra DAC. Vì vậy, DAC có thời gian xác lập nhỏ và tốc độ chuyển đổi lớn có thể tạo ra tín hiệu cao tần, bởi vì thời gian xác lập nhỏ cần thiết cho việc thay đổi chính xác mức điện áp đầu ra.
+ Độ phân giải đầu ra: Độ phân giải là tỉ số giữa giá trị cực tiểu với giá trị cực đại của điện áp đầu ra. Về trị số tỉ số này tương ứng tỉ số giá trị cực tiểu đối với giá trị cực đại của tín hiệu số đầu vào.
- Vào, ra tín hiệu số (DIO).
Vào ra tín hiệu số thường được ghép nối với hệ thống PC DAQ tới các
quy trình điều khiển, tạo ra các mô hình kiểm tra và gửi chúng tới thiết bị ngoại vi. Trong một số trường hợp, tham số quan trọng gồm số đường digital