Controlul de la Distantă a Unui Generator de Semnal

Universitatea Politehnica din București

Facultatea de Electronică, Telecomunicații si Tehnologia Informației

LUCRARE DE LICENȚĂ

Controlul de la distanță a unui generator de semnal

Absolvent:

Tică Elena Daria

CONDUCATOR LUCRARE:

Ș.l. Dr. Ing. Lucian Andrei Perișoară

Cuprins

Cuprins 4

Listă figuri 6

Listă acronime 7

Introducere 8

Capitolul 1. Instrumente programabile 9

1.1. Arhitectura sistemului de testare 9

1.2. Interfețe de comunicare 13

1.3. Modelul instrumentului programabil 15

1.4. Subsisteme componente 15

1.5. Subsisteme adiacente 16

Capitolul 2. Sintaxa informației 17

2.1. Structura informațională în cadrul interfeței SCPI – GPIB 17

2.1.1. Clasificarea mesajelor 17

2.1.2. Descrierea tipurilor de mesaje 17

2.1.3. Protocolul de control al schimbului de mesaje 19

2.2. Sintaxa mesajelor 21

2.2.1. Sintaxa mesajelor de programare 21

2.2.2. Structura mesajelor SCPI 22

2.2.3. Tipuri de antete 23

2.2.4. Sintaxa mesajelor de răspuns 24

2.2.5. Arborele de comandă 25

2.2.6. Tabelul de comandă 26

Capitolul 3. Implementarea Hardware a sistemului 27

3.1. Obiectivele proiectului 27

3.2. Schema bloc a sistemului 27

3.3. Componetele sistemului hardware 28

Bibliografie 30

Listă figuri

Figură 1.1.1. Sistem simplu de măsura și control cu instrument programabil. 8

Figură 1.1.2. Instrument programabil – schema da principiu 9

Figură 1.1.3. Controller – schema bloc de principiu , simplificata 9

Figură 1.1.4. Bus-ul de interfața GPIB – schema de principiu , simplificată 10

Figură 1.1.5.a). Topologia de sistem de măsură și control : stea 10

Figură 1.1.5.b). Topologia de sistem de măsură și control: serie 11

Figură 1.2.1. interfață de comunicare de pe panoul din spate al unui instrument programabil 12

Figura 1.3.1: Modelul instrumentului 14

Figura 2.1.1 Tipuri de mesaje 17

Figura 2.1.2. Structura dinamica a mesajelor interfeței [2] 17

Figura 2.1.3. Mesajele multilinie specifice dispozitivului 18

Figura 2.1.4. Protocolul de control al schimbului de mesaje [3] 19

Figura 2.2.1 Sintaxa unității de mesaj de programare 20

Figura 2.2.2. Sintaxa unui mesaj de programare 21

Figura 2.2.3. Exemplu 21

Figura 2.2.4. Sintaxa unității de mesaj de răspuns 23

Figura 2.2.5. Sintaxa mesajului de răspuns 23

Figura 2.2.6. Arborele de comenzi al subsistemului SENSE 24

Tabel 1: Comenzi ale subsitemului SENSE 25

Figura 3.2. Schema bloc a sistemului 26

Listă acronime

GPIB – General Purpose Interface Bus

SCPI – Standard Commands for Programmable Instruments

PC – Personal Computer

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers

DMA – Direct Memory Access

IRQ – Interrupt Request

USB – Universal Serial Bus

LXI – ( LAN exXensions for Instrumentation

ASCII – American Standard Code for Information Interchange

| – sau logic

Introducere

Proiectul își propune să realieze controlul de la distanță al unui generator de semnal prin intermediul unei magistrale de comunicație serială cu ajutorul unei platforme cu microcontroller.

Capitolul 1. Instrumente programabile

Arhitectura sistemului de testare

In cadrul sistemelor de testare automata ,utilizarea pe scară largă a instrumentelor de măsură programabile a dus in anii 1990 la apariția si implementarea standardelor IEEE 488.1 , cunoscute sub denumirea GIPB (General Purpose Interface Bus), IEEE 488.2 si SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments). Gradul mare de flexibilitate oferit de aceste standarde pentru controlul sistemelor de testare cu instrumente programabile a permis utilizarea acestora in fazele de testare pe toata durata de viața a unui produs : cercetare , dezvoltare,fabricație, intreținere si depanare.

Un sistem simplu de măsură si control poate fi alcătuit dintr-un controller (PC), un instrument programabil si o magistrală de transmisie a datelor.

Instrument programabil Controller (PC)

Figură 1.1.1. Sistem simplu de măsura și control cu instrument programabil.

Instrumentele programabile pot fi:

receptoare: instrumente adresate pentru a recepționa date (ex: multimetre, osciloscoape, numaratoare, frecventmetru, etc.);

emițatoare : instrumente adresate pentru a transmitee date ( generatoare de semnal, generatoare de zgomot, susre de alimentare, etc.);

mixte (receptoare și emițatoare): instrumente adresate pentru a recepționa și transmite date (osciloscop cu generator de semnal incorporat) .

semnale masurate

/ generate

Bus

GPiB

Figură 1.1.2. Instrument programabil – schema da principiu

Controller-ul reprezintă unitatea prin care se realizează controlul intregului sistem de măsură si testare. Acesta poate fi un sistem de calcul obișnuit (PC) sau unu sistem de calcul dedicate.

Domeniu de adrese de port I/O

………………………………………………………

Circuit logic de interfața

…………………………………………………….

Controller de interfața IEEE 488.1

……………………………………………………..

Întreruperi IRQ și canale DMA

………………………………………………………

Tranceiver-i

Figură 1.1.3. Controller – schema bloc de principiu , simplificata

Mediul fizic de comunicare dintre controller si instrumentul programabil este reprezentat de către magistrala de date. Aceasta este compusă din linii de semnal care asigură transferul datelor, controlul circuitelor de transfer de date și administrarea intrefeței , precum și din linii de protecție.

Figură 1.1.4. Bus-ul de interfața GPIB – schema de principiu , simplificată

Sistemul cu instrumente programabile poate avea trei topologii:

stea;

serie;

hibridă.

Figură 1.1.5.a). Topologia de sistem de măsură și control : stea

Figură 1.1.5.b). Topologia de sistem de măsură și control: serie

Controlul de la distanța a echipamentelor de măsură și control se poate realiza prin:

programare definită de utilizatori (aceștia pot programa și controla instrumentele utilizând comenzi SCPI);

utilizarea de aplicații software special dezvoltate de producătorii instrumentelor pentru a trimite comenzi SCPI

Folosind programarea utilizatorul poate:

să controleze instrumentul;

să facă o măsurătoare;

să obțină date de la instrument : răspunsuri la comenzi sau date măsurate.

Interfețe de comunicare

Interfețele de comunicare dintre instrumentele programabile și controller pot fi :

GPIB,

RS-232,

USB

WiFi,

Bluetooth ,

LAN

Ethernet

LXI (LAN eXtension for Instrumentation)

[1]

Figură 1.2.1. interfață de comunicare de pe panoul din spate al unui instrument programabil

GPIB

Magistrala de interfațare de uz general (General Purpose Interface Bus) este folosită pentru comunicația cu instrumentele programabile. Este cel mai utilizat standard pentru controlul instrumentelor programabile de către sistemele de calcul. Rolul acestor dispositive este de a trimite mesaje sau de a primi mesaje si/sau de a monitoriza comunicațiile pe rețea, având o rata de transfer de 1 Mbyte/secundă.

Protocolul de comunicație este specificat de standardul IEEE-448, acesta fiind un protocol pe 8 biți ce folosește comenzi de tip ASCII , putând accesa maxim 14 instrumente aflate la cel mult 20 m.

RS – 232

„Interfața serial RS-232 este unul din dintre cele mai folosite echipamente periferice. Transmisia și recepția se face bit cu bit, astfel este nevoie de un singur fir pentru transmisie. Interfața RS-232 este intalnită la toate modelele de calculatoare și majoritatea instrumentelor de măsură. A apărut in anul 1962 ,fiind standarizată de EIA (Electronics Industries Association), permite comunicații doar pe distanțe scurte , maxim 20m și viteze de transfer de maxim 1900 bps.

Aparatele ce folosesc interfața RS-232 se clasifică în doua categorii

DTE (Data Terminal Equipments) – din această menționăm PC-ul, tastatura.

DCE (Data Communication Equipments) – modem-urile ,aparate de măsurare, etc.

Modul de conectare precum și programarea modului de comunicație poate fi diferita de la un aparat la altul.O conexiunde serială RS-232 se compunde din trei conductoare

RXD (Receive Data) reprezinntă conductorul pentru semnalul de recepție

TXD (Transmit Data) reprezintă conductorul pentru semnalul de emisie

GND ( Ground) reprezintă conductorul la masă.|” [6]

USB

Interfața USB (Universal Serial Bus) a fost concepută cu scopul de a simplifica modul de conectare a perifericelor la un PC.Este o intrefața seriala rapidă, viteza de transmisie ajungând până la 12 Mbit/secundă.

USB este compus din trei elemente principale

Gazda (host)

Conectorii (hubs)

Perifericele (devices).

Ethernet

Ethernet reprezintă denumirea unei familii de protocoale de rețele de calculatoare ce se bazeaza pe transmisia cadrelor (frames) și este utilizată pentru a implementată rețelele locale de tip LAN.

A fost lansat in 1983 de către IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers ) in seria de standarde IEEE 802.3.

Aceste standarde permițând transmisia datelor prin mai multe medii fizice:

Cabluri coaxiale

Cabluri torsodate

Cabluri de fibră optică

Ethenet este de departe cea mai folosită interfață de comunicare in ziua de azi.Aproape toate calculatoarele sunt prevăzute cu o interfață Ethernet intefrată ,iar componentele de rețea devin tot mai ieftine. Vitezele Ethernet au crescut cu trei ordine de mărime în ultimii 15 ani păstrându-se compatibilitatea , spre deosebire de GPIB.

LXI (LAN eXtensions for Instrumentation)

Este ultima evoluție a tehnicilor de comunicație pentru instrumentele de testare și măsurare. Combină avantajele rețelelor Ethernet , interfețelor Web și experineța de peste 40de ani de testare și măsurare, pentru a asigura modularitate , flexibilitate, interoperabilitate, sincronizare și precizie în cadrul sistemelor de testare, ceea ce duce la economii de timp în proiecarea, instalarea, integrarea, programarea și întreținerea acestora.

Ofera noi posibilități prin testarea locală, testarea de la distanță sau testarea distribuită în mai multe locații.

Modelul instrumentului programabil

În scopul calsificării grupurilor de comenzi și a realizării compatibilității echipamentelor , SCPI a definit un model generalizat de instrument(dispozitiv) programabil.

Figura 1.3.1: Modelul instrumentului

Categorii majore de funcții de instrument:

Achiziție de semnal,

Generare de semnal,

Rutare de semnal

Subsisteme componente

Comenzile de control ale funcției ce aparține unui subsistem încep cu numele subsistemului.

Subsistemele din compunerea instrumentului programabil:

ROUTe realizează funcția de comutare ce direcționează semnalul aplicat instrumentului

său generatde către acesta.

DISPlay conține funcții asociate cu modul de prezentare a datelor (text,grafic, etc.).

FORMat realizează conversia formatului de date ( in mod special în vederea transmiterii

datelor printr-o interfață)

TRIGger controlează achiziția /generarea de semnal prin sincronizarea acțiunilor

dispozitivului cu evenimente interne sau externe.

SOURce generează un semnal pe baza unnor caracterostoco specificate și/sau date oferite.

SENSe conține funcții de achiziție de date ( conversia semnalului în date interne).

CALCulate realizează funcțiile de post –procesare a datelot achiziționate.

INPut controlează caracteristicile unui senzor la intarea semnalului.

OUTPut controlează caracteristicile unui port de ieșire al unui generator.

Subsisteme adiacente

SYSTem include cele mai multe funcții generale ale instrumentului care nu sunt correlate în

mod direct cu performanțele instrumentului (TIME, DATE, setări, raportare de erori).

MEMory include funcții de gestiune ale memoriei instrumentului (mai putin memoria de

capacitate mare a sistemului).

MMEMory include comenzi de dispozitiv specific memoriei de mare capacitate ( capabilități

pentru instrumente de a stoca informații în memorii de mare capacitate.)

INSTrument furnizează mecanismul de indentificare si selecție a instrumentelor logice in mod

particular ( intr-o configuție logică de multi-instrument).

STATus controlează sistemul de raportare a stării SCPI.

Capitolul 2. Sintaxa informației

2.1. Structura informațională în cadrul interfeței SCPI – GPIB

Standardul SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) a fost definit in 1990 pe baza standardelor IEEE 488.2 și IEC 625.1, standarizându-se astfel limbajul de control utilizat între instrumentele prgramabile. Scopul său a fost de a promova un limbaj și o sintaxă comună potrivit pentru toate instrumentele programabile.Astăzi SCPI este susținut de majoritatea producătorilor de instrumente programabile ,precum Agilent (HP), Tektronix, Keitheky, Fluke.

SCPI poate fi trimis la un instrument programabil de-a lungul mai multor interfețe, cum ar fi LAN, GPIB, RS-232 și USB.

Comuncația în sistemul de măsură și testare prevăzute cu interfață SCPI-GPIB se realizează prin intermediul mesajelor. Astfel, cu ajutorul sttandardului IEEE 2882 s-a definit un set comun de mesaje.

2.1.1. Clasificarea mesajelor

Există două tipuri de clasificări ale mesajelor :

Clasificarea structurală

Clasificarea funcțională

Din punct de vedere structural, mesajele se clasifică în:

Mesaje unilinie – semnalele sunt transmise pe linii singurale dedicate;

Mesaje multilinie – sunt trimise secvențe seriale de octeți (cei 8 biți sunt duspuși paralel și sunt transmiși in mod asincron pe un bus bidirecțional).

Din punct de vedere funcțional, mesajele se clasifică în:

Mesaje de interfață

Mesaje specfice dispozitivelor

2.1.2. Descrierea tipurilor de mesaje

În raport cu ambele tipuri de clasificare , structurală și functional , mesajele se pot desccrie astfel:

Tipuri de mesaje unilinie:

Mesaje de control al transferului octeților de date –realizează controlul necesat transmiterii octeților de date pe corcuitele DIO1-DIO8(control de flux, linii handshake);

Mesaje de administrare a interfeței – realizează funcții specific între controller și oricare alt instrument din sistem.

Tipuri de mesaje multilinie:

a). Mesaje de interfață multilinie – realizează controlul interfaței:

Mesaje de adresare care pot fi:

Adrese primare – pentru selectarea dispozitivelor ca transmițători sau receptori;

Adrese secundare – transmise după adresa primară pentru selectarea unei funcții particulare din cadrul unei adrese de bază.

Mesaje de programare commune care, din punct de vedere al adresări pot fi:

– Mesaje adresate – recepționate de către intrumente care au fost configurate ca receptori;

– Mesaje universal – recepționate de către toate instrumentele.

b). Mesaje specific dispozitivelor – conțin octeți de date interpretabili la nivelul funcțiilor de dispozitiv, acestea pot fi:

Mesaje de programare specific dispozitivelor – generate de către controller;

Mesaje de răspuns – generate de către instrumental programabil.

Figura 2.1.1 Tipuri de mesaje

Figura 2.1.2. Structura dinamica a mesajelor interfeței [2]

Protocolul de control al schimbului de mesaje

Protocolul schimbului de mesaje descie modul în care instrumental gestioneaza mesajele de programare și de răspuns, stabilind ordinea de execuție internă a mesajelor de programare.

Mesajele de programare constituie modalitatea prin care controller-ul gestioneaza funcționarea dispozitivelor din cadrul sistemului de măsură și testare,în timp ce mesajele de răspuns, conținând date sau setări curente.

Există doua tipuri de mesaje de programare:

Cereri – dispozitivul trebuie să răspundă prin intermediul uni mesaj de răspuns;

Comenzi – nu este necesar un mesaj de răspuns din partea dispozitivului.

Figura 2.1.3. Mesajele multilinie specifice dispozitivului

Etapele întâlnite în transmisia , analiza și execușia mesajeor:

Controller-ul adresează instrumental ca „receptor” și trimite un mesaj: interfața de receptive plasează mesajul într-un buffer de intrare;

Interpretorul de mesaje:

Preia mesajul din buffer-ul de intrare;

Decodează mesajul;

Verifică dacă sintaxa este corectă. Dacă sintaxa este incorectă aceasta va cauza raportarea unei erori prin intermediul mesajului de stare al sistemului, care va fi pus in stiva de erori/ evenimente;

Decodorul detectează dacă este solicitat un răspuns (caz în care mesajul de intrare este o cerere);

Decodorul transferă instrucțiunule executabile către blocul de control al execuției in format intern;

Blocul de control al execuției recepționează informațiile necesare pentru acționarea sispozitivului și inițiază procesul de execuție. În cazul în care existț erori de execuție acestea sunt raportate prin intermediul stării sistemului și a cozii de așteptare de erori .

În situția recepționării unei interogări , blocul de funcții al instrumentului transferă datele de răspuns către formatorul de răspunsuri.

Formatorul de răspunsuri convertește codurile interne în mesaje de răspuns în conformitate cu formatul specific sintaxei IEEE488.2, plasându-le în coada de așteptare de ieșire.

La adresarea interfeței ca „transmițător”, răspunsul formatat din coada de asșteptare de ieșsire este trimis prin interfață către controller.

Figura 2.1.4. Protocolul de control al schimbului de mesaje [3]

Sintaxa mesajelor

2.2.1. Sintaxa mesajelor de programare

Comanda și cererea au urmatoarea sintaxă:

Figura 2.2.1 Sintaxa unității de mesaj de programare

Antetul conține unul sau mai multe mnemonice ce descriu comanda

Separatorul conține cel putin un caracter „blane”.

Reguli :

Orice caracter „blane” :

Poate preceda un antet;

Poate preceda terminatorul de mesaje;

Poate fi plasat între antet și parametru;

Poate fi plasat între doi parametri consecutivi.

Un parametru specificat ca valoare numerica zecimală poate utiliza diferite formate numerice de reprezentare.

Dacă parametrul este de precizie mai mare decât poate gestiona intern dispozitivul , acesta îl va rotunji înainte de interpretarea lui.

Șirul de date dintr-un parametru trebuie încarcat între ghilimele (simple sau duble).

Mesajul de programare este compus dintr-unul sau mai multe unități de mesaje de programare , având urmatoarea sintaxă:

Figura 2.2.2. Sintaxa unui mesaj de programare

Terminatorul de mesaj de programare poate avea urmatoarele coduri:

NL^END : cod „new line” trimis concurențial cu mesajul END pe GPIB;

NL: vod „new line”;

<dab>^END: mesaj END trimis concurențial cu ultimul octet de date ( <dab>).

Exemplu :[4]

:INPut:IMPedance ] E6;:SENSe:VOLTag:RANGe 200NL^END

Figura 2.2.3. Exemplu

Prin convenție literele mari din compunerea mnemonicilor comenzilor SCPI corespund cu forma scurtă.

2.2.2. Structura mesajelor SCPI

Comenzile SCPI au o structură arborescentă, ierarhică, fiecare comandă conținând un cuvânt cheie rădăcină și unul sau mai multe cuvinte secundare. Comanda reprezintă de fapt un șir de caractere ASCII , pentru carea avem urmatoarele reguli de scriere:

O comandă începe cu ” : ” ;

Cuvintele cheie sunt separate de ” ; ” ;

Cuvintele cheie sunt urmate de valorile disponibile pentru parametri;

Dacă avem o interogare , atunci dupa cuvintele cheie urmează ” ? ” ;

Dacă avem o comandă de control , după cuvintele cheie urmează spațiu și apoi valoarea pentru parametru.

Exemplu :

:CALCulate:AVERage:MINimun

Tipuri de antete

Exista două tipuri de antete:

Antete compuse : exista unul sau mai multe mnemonice de mesaj SCPI separate prin

„ : ”.

Antete comune : mesaje de programare comune IEEE488.2 ( mesaje interne ale instrumentului, mesaje de control, mesaje de stare).

Mnemonicile din compunearea mesajelor de program SCPI pot avea două forme:

Forma lungă – maxim 12 caractere,

Forma scurtă – primele 4 caractere ale fromei lungi, sau primele 3 caractere când al patrulea este o vocală și cele 4 caractere nu alcătuiesc forma lungă.

Exemple:

INITiate (forma lungă),

INIT (forma scurtă),

MAXIMUM (forma lungă),

MAX (forma scurtă),

InstruMENT:Nsel 3 (forma lungă),

iNST:NsEL 3 (frma scurtă).

Mnemonicile din compuneara mesajelor de programare comune:

Încep cu un asterisc „ * ”,

Conțin trei litere,

Cererile se încheie cu semnul de întrebare.

Exemple:

*RST?

*IDN?

La dispozitivele cu capabilități multiple de același tip , selecția între funcționalități se realizează prin intermediul sufixelor numerice. Sufixul 1 este considerat implicit.

La dispozitivele fară capabilități multiple , sufixul 1 poate să nu fie acceptat.

Exemplu :

:STATus:QUEstionable: INSTrumnt: ISUMmary2[EVENt]

2.2.4. Sintaxa mesajelor de răspuns

Răspunsul unui instrument SCPI la o cerere interogare are urmatoarea sintaxă :

Figura 2.2.4. Sintaxa unității de mesaj de răspuns

Mesajul de răspuns este compus din unul sau mai multe unități de mesaje de răspuns, și are următoarea sintaxă:

Figura 2.2.5. Sintaxa mesajului de răspuns

NL^END reprezintă terminatorul de mesaj de răspuns

Instrumetul trimite răspunsul in formă scurtă, compus din litere mari.

Exemplu de mesaj de răspuns :

:AM:SOURce EXTernal

:AM:SOURce?,

EXT

Arborele de comandă

Setul de comenzi este prezentat sub forma arborelui de comandă și a tabelului de comandă.

Prin parcurgerea arboreluil de comenzi de la nodul rădăcină la nodul frunză se reflecta sintaxa utilizată la alcătuirea unei comenzi.

Figura 2.2.6. Arborele de comenzi al subsistemului SENSE

Tabelul de comandă

Tabelul de comandă conține parametrii ce pot fi folosiți în cadrul comenzilor: [5]

Tabel 1: Comenzi ale subsitemului SENSE

Antetul unei comenzi este compus din: header antet și nod frunză.

Exemplu:

VOLTage:DC:RANGe:UPPer

Capitolul 3. Implementarea Hardware a sistemului

3.1. Obiectivele proiectului

Proiectul are ca obiectiv controlul de la distanță a unui generator de semnal classic prin intermediul unei magistrate de comunicație serial cu ajutorul unei platform cu microcontroller.

Parta hardware a proiectului conține 😮 placă de dezvoltare Arduino cu microcontroller, butoane cu funcțiii predefinite (crește/scade frecvența, crește/scade amplitudinea, schimba dorma de undă, etc), afișaj LCD pentru afișarea parametrilor, sursa de alimentare , circuit interfață serial RS 232.

Partea software a proiectului conține programul pentr microcontroller , care trebuie să primească comenzi de la butoane , să afișeze calorile parametrilor pe LCD, să transmită valorile parametrilor prin interfața serială utilizând mesaje SCPI, să primească mesaje de răspuns și să le afișeze pe LCD.

3.2. Schema bloc a sistemului

Figura 3.2. Schema bloc a sistemului

3.3. Componetele sistemului hardware

Bibliografie

[1],[2].[3],”Standade de comunicație pentru instrumentație programabilă” ,Rodica Stoian , Editura Printech , anul 1999.

[6]Curs „Testarea Automata a Echipametelor și Proceselor” , Laborator 5 ”Instrumentație programabilă”.

[4],[5] „Electronică Aplicată- Sisteme Inteligente Hardware –Software de Măsurare și Control” , Costin Țtefănescu , Nicolae Cupcea, Bucuresti 2003