Elektronika és méréstechnika

1. Egyenáramú (DC) áramkörök

2. Váltóáramú (AC) áramkörök

3. Feszültségek mérése

4. Mérések adatgyűjtő kártyákkal és személyi számítógéppel

1. Egyenáramú (DC) áramkörök

1.1 Villamosságtani alapfogalmak

• Fizikai mennyiségek: feszültség U[V], áramerősség I[A], töltés[C].
• Áramkör: olyan vezető, zárt hurkok együttese, ahol áram kering(het).
• Áramköri elemek: feszültségforrás(ok), kapcsoló(k), fogyasztó(k) és ezek kombinációi.
• Áramköri struktúrák: soros, párhuzamos kapcsolás, hidak.
• Áramkörök osztályozása: analóg, digitális; egyenáramú, váltóáramú.
• Áramköri szabályok:
  Kirchhoff I. (csomóponti törvény): a töltésmegmaradás törvénye miatt a nem elágazó áramkörök bármely pontjában az áramerősség ugyanakkora; elágazásnál az elágazásba befolyó áramok összege és a kifolyó áramok összege egyenlő.
  Kirchhoff II. (huroktörvény): az energiamegmaradás törvénye értelmében bármely hurok mentén a feszültségesések összege zérus.
• Mérés: feszültséget párhuzamosan, áramot sorosan mérünk.
• Feszültségforrás: elem, tápegység, stb. Nagyfrekvenciás átalakítás szerepe.
• Kapcsoló: mechanikus, elektromechanikus (mágneskapcsoló, relé), elektronikus.
• Földelés szerepe: referenciapont, életvédelem.

Ellenállások:

• Ellenállás definíciója:

• Ellenállások eredője:

• Hídkapcsolás:

• Ellenállások specifikálása: érték, teljesítmény, pontosság szerint;
• változtatható ellenállások: potenciométer, trimmelő potenciométer;
• nemlineáris ellenállás, VCR (voltage controlled resistor);
• hőmérsékletfüggő, fényfüggő, stb. ellenállások.

Kondenzátorok:

• specifikálásuk: érték, max. feszültség, veszteség szerint;
• energiatárolás vagy jw karakterisztika.

Félvezető alapalkatrészek:

• Diódák

• Tranzisztorok: erősítőként vagy kapcsolóelemként működnek
• Triac és tirisztor: kapcsolóként használjuk, teljesítményszabályozás lehetséges alkalmazásukkal

1.3 Műveleti erősítők

1.3.1 Tulajdonságok

A műveleti erősítők kivezetései:(A ábra):

A műveleti erősítők szokásos rajzjele a B ábra szerinti (a tápfeszültségeket és a 0 vonalat nem tüntetjük fel).

A műveleti erősítők kivezetései a következő tulajdonságuak:

A műveleti erősítők alkalmazásakor (általában negatív) visszacsatolást, azaz a kimenet és a bemenet közötti összeköttetést alkalmazunk.

Szabályok:

Az ideális műveleti erősítő úgy működik, hogy:

1. szabály: A bemeneteken át be az erősítőbe áram nem folyik;

2. szabály: A kimeneten U_ki = A * [ U₊ - U_- ] feszültség (A) jelenik meg, mely értelemszerűen nem lehet nagyobb a tápfeszültségnél. Emiatt, hacsak a kimenet nincs kiült állapotban, a két bemenet (gyakorlatilag) azonos potenciálon van. 

1.3.2 Jellegzetes kapcsolások

2. Váltóáramú (AC) áramkörök

2.1 Impedancia, átviteli függvény

Impedancia definíciója:

Impedancia szerepe: az áramkörszámítási szabályokat impedanciákra lehet alkalmazni:

Az áramkörön áthaladó áramot az alábbi meggondolásokkal számíthatjuk ki:

1. Szinuszos U amplitudójú feszültség hatására áthaladó szinuszos áram komplex amlitudója
2. Ha az áramkörön nem szinuszos, de (w₀ alapharmonikusu) periodikus feszültség halad át, akkor az w=kw₀ frekvenciáju felharmonikusok bármelyikére az előző egyenlet.
3. A periodikus U(t) és I(t) és a megfelelő és komplex amplitudók között a Fourier-transzformáció teremt kapcsolatot. Ugyanis a periodikus, w₀ alapharmonikusú f(t) időfüggvény előállítható Fourier-sorként:
   . Az komplex amplitudók, azaz az amplitudók ill fázisok az f(t) függvényből Fourier-transzformációval határozhatók meg. A Fporier-transzformációval tehát időfüggvényből állítunk elő frekvenciafüggvényt (spektrumot).Ez az összefüggés két szempontból hasznos:
   
   a. egy lineáris, passzív áramkör impedanciáját meghatározhatjuk aként, hogy valamely periodikus U(t) feszültséget alkalmazva megmérjük az I(t) áramerősséget; mindkét időfüggvényt Fourier-transzformáljuk, azaz meghatározzuk az egyes w frekvenciákhoz tartozó és komplex amplitudókat; ezek hányadosa a Z(w) impedancia.
   
   b. Ha ismerjük a Z(w) impedanciát, akkor ki tudjuk számítani, milyen I(t) áramerősség fog áthaladni az ismert U(t) periodikus feszültség hatására: Konkrétan,
   hatására lesz az áramerősség.
   Ez utóbbi szummázást (vagyis amikor a frekvenciafüggvényből (spektrumból) állítunk elő időfüggvényt) inverz Fourier-transzformációnak nevezzük.
   
4. Megemlítendő, hogy ha az U(t) vagy a I(t) függvény nem periodikus (pl. ugrásfüggvény) akkor is kiszámítható az impedanciafüggvény ismeretében I(t) U(t)-ből, vagy fordítva, a Laplace transzformáció alkalmazásával.

Az impedancia általánosítása az átviteli függvény, amely valamely négypólus kimenete és bemenete közötti viszonyt fejezi - tipikusan U_ki/U_be w (vagy f=w /2p ) függvényében.

Az átviteli függvény jellegzetes egysége az erősítés, A, logaritmikus egysége a dB. A^*[dB]=20*lg(U_ki/U_be). Tipikus ábrázolása A (f) és f(f).

Az elektromos rendszereket tehát az alábbi függvényekkel lehet jellemezni:

Lineáris rendszerek:

• Kétpólus: impedancia (admittancia): frekvencia (f) függvény; ábrázolása Bode, Nyquist
• Négypólus: bemenet - kimenet - átviteli függvény (U_ki/U_be f függvényében).

Nemlineáris rendszerek: áram-feszültség-karakterisztika az időtől független, sztatikus nemlineáris tulajdonságok jellemzésére.

2.2 Műveleti erősítők AC áramkörökben

2.3 Feszültségforrások

Vezérelhető feszültség- és áramforrások

Potenciosztát

AC feszültségforrások

• oszcillátor - függvénygenerátor (jelalak, amplitudó, offset, frekvencia)
• VCO bemenet - burst
• arbitrary generator
• digitális oszcillátor: astabil multivibrátor
• kvarcoszcillátor - óra, mikromérleg (párologtatás, tömegnövekedés)

3 Feszültségek mérése

3.1 Analóg feszültségmérő műszerek

Deprez műszer, X-t író, X-Y író. Átlagoló regisztráló, magnószalag

Oszcilloszkóp:

• katódsugárcső (gyors, hosszú utánvilágítás, tárolás)
• jelcsatorna (bemenet: AC-DC-GND, aszimmetrikus, differencia, chopped üzemmód
• időalap (pl kettős)
• triggerelési mód (normál, egyes, automata) triggerforrás: (külső, jel) triggerszint (DC, AC, logikai él, hálózat)
• analizálás: vizuálisan, dokumentálás fényképpel (polaroid)
• digitális oszcilloszkóp - (tranziens rekorder) kiolvasható, poszttrigger, jel eleje, hazárd analízis

3.2 Digitalizálás alapfogalmai: kódolás, pontosság

Kódolás:

• Bináris: kettes számrendszer, hexadecimális számrendszer
• szöveges információra: ASCII, kódlapok
• számokra: BCD, bináris (hexadecimális), Gray kód (pl. szögmérésre)
• offset bináris, és kettes komplemens ábrázolás - számábrázolás (word, integer, floating)
• hibafelismerés: modulo (pl. parity bit)

Pontosság:

• Felbontás (resolution [bit]): a legkisebb kijelezhető rész (12 bit: 1/4096; 3 1/2 digit: 1/1999 vagy 1/(2*1999), LSB, MSB, csonkítás
• Érzékenység (sensitivity [V]): a legkisebb érzékelhető változás (=legkisebb méréshatár/felbontás). Példák: 3 1/2 digit, 2V-os méréshatárnál: 1 mV; 16 bit (65536), 2V-os méréshatárnál: 30 mV; 8 1/2 digit, 200mV-os méréshatárnál: 1 nV;
• Valódiság (abszolút pontosság): valamilyen abszolút (feszültség)standardhoz képest
• Precizitás (relatív pontosság): valamilyen belső standardhoz képest (amikor csak valamilyen változás a lényeges)
• Reprodukálhatóság: (megismételhetőség) - valamely konstans érték mérésekor a mért érték eloszlásának félértékszélessége.
• Szisztematikus és statisztikus hiba illusztrációja:

• Linearitás: eltérés a lineáris analóg - digitális összefüggéstől. Jellemzés pl. <1/2 LSB. Példa: rossz DAC.
• Konverziós idő: tipikus 1m s-1 ms.

3.3 AD konverzió áramkörei

3.3.1 Segédáramkörök: SH, számláló

3.3.2 Tipikus AD konverter áramkörök

3.4 Digitális feszültségmérő műszerek

• Bemenet általában földfüggetlen (1 Mohm) HI LO bemenetek, instrumentációs erősítő, megadott U(HI-LO)_max és U(LO-GND)_max
• DVM (DC U mérés); DMM (UIR, DC,AC mérés); 1 - 1000 MOhm bemenő ellenállás, elektrométer: 10 -100 TOhm
• Számítógépbe helyezett AD-DA kártyák - virtuális műszerek.
• Feszültségmérők pontosságának megadása: = erősítési hiba (gain error) + nullponthiba (offset error) és/vagy leolvasás hibája (%) + méréshatár hibája (%) Például egy 4 1/2 digites DVM leolvasási hibája 0.005% (± 0.0001), ha a 2 V-os méréshatár hibája 0.01%, akkor egy pontosan 1.0000 V-os feszültséget a DVM ± (0.0001+ 1*0.0001) =0.0002 bizonytalansággal méri meg.
• Mintavételi idő (sampling rate): Mintavételi idő> konverziós idő. Shannon-Nyquist-féle mintavételi törvény: a mintavétel frekvenciája legalább duplája legyen a jelben lévő legnagyobb frekvenciáju komponens frekvenciájának (aliasing error, anti-aliasing filtering)
• Feszültségmérők kalibrálása: Gyakran ellenőrizni, szükség esetén beállítani.

3.5 AC feszültségek mérése

3.5.1 Váltakozó feszültségek jellemzése

• : U_o: amplitudó, 2U_o:: p-p amplitude. U_o mérése: csúcsmérő
• effektív érték, (RMS):
• abszolút érték átlaga, mérése egyszerű, olcsó
• U_o, , U_eff különböző értékű és jelalakfüggő, pl. szinuszosra jelre ; ; négyszögjelre

3.5.2 Effektív érték (RMS) mérése

a. analóg megoldás

2. digitális megoldás: digitalizálás, négyzetelés, összegzés (alapharmonikus periódusidejéig), gyökvonás

3.6 Feszültségmérés hibaforrásai

1. Kontaktusellenállás hatása

Példa: ellenállásmérés:

2. Nagy forrásimpedancia (ellenállás) hatása

DC eset - ellenállásosztó, kontrollálható

AC eset - lassú felfutási idő (szórt kapacitás lecsökkentendő előerősítővel vagy aktív árnyékolással)

3. Hőmérsékletkülönbségek hatása

Nem azonos hőmérsékletű kontaktusok termopárt képeznek (mV nagyságrendű hiba)

4. Földhurok hatása

3.7 Jel-zaj viszony javítása

3.7.1 Zajcsökkentés

A. Árnyékolás

• Faraday-kalitka (belülre elektromos tér nem tud behatolni; elektromos tér eredetű zajokat rézzel, mágneses eredetűeket vassal)
• Az árnyékolást jól definiált potenciálu ponthoz kell kapcsolni (legtöbbször földhöz)
• Földelt illetve védett kábelek (guard), ábra, felfutási idő szerep

B. Mágneses eredetű zajok

Motorok, generátorok váltakozó mágneses teret hoznak létre, ezek a fix vezető hurkokban áramot indukálnak. Sztatikus mágneses térben változó felületű áramvezető hurkokban is áram indukálódik. Ezen áram minimalizálása végett:

• motorokat, generátorokat - lehetőség szerint - érzékeny mérés környékén ne üzemeltessünk;
• a vezető hurkok felületét minimalizáljuk pl. csavart érpárú vezeték alkalmazásával;
• a vezetékeket célszerű mágnesesen árnyékolni (vas) és fixen (pl. rezgésmentesre) szerelni.

3. Földhurok: (lásd fent): megszüntetendő
4. Periódusidőnyi átlagolás 20 ms átlagolással

Hálózati 50Hz-es eredetű zajokat legjobban a 20 ms-os átlagolással csökkenthetjük le. Ugyanis, ; emiatt általában a periódusidő egész számu többszöröséig cészerű integrálni (példák: 100 ms, 220ms, Windows alatt futó programok-megszakítások hatásai).

3.7.2 Jelátlagolás

Analóg AC jeleknél: szinkron egyenirányítás, lock-ines méréstechnika

Repetitív, zajos jelek átlagolása: Ezek digitálizálva az X[k] tömbbe kerülnek, melyeket az Y[k] tömbben átlagolunk. A műveletet pascal nyelven az alábbi procedúra fejezi ki:

for k:=1 to Npoints do Y[k]:=0;         {nullázzuk az Y tömböt}
for i:=1 to Ntransients do begin
	repeat until Trigger;                 {triggerre várunk}
	for k:=1 to Npoints do begin
		X[k]:=ResultsOfADConversion;        {AD konverzió}
		Y[k]:=Y[k]+X[k];                    {összegezünk}
	end;
end;
for k:=1 to Npoints do Y[k]:=Y[k]/Ntransients;    {normáljuk az Y tömböt}

Ha a repetitív X[k]= T[k]+ Z[k], azaz a jel a tényleges T[k] tranziens és a Z[k] zaj összege, akkor, feltéve hogy hogy Z[k] időbeli átlaga zérus, átlagolással Y[k]® T[k].

Megjegyzések:

1. Célszerű a fenti algoritmust kicsit átrendezni oly módon, hogy Y[k] mindenkor az addigi jelek átlagát mutassa, tehát a normálást már az összegzésbe beépítjük. Ekkor az összegző sor Y[k]:=Y[k]+X[k]/Ntransients alaku, az utolsó, normáló sor elhagyható.

2. Segédeszköz: digitális aluláteresztő szűrő. Mérünk egy X(t) feszültségfüggvényt Dt időnkénti mintavételezéssel. Az X[k] tömbből az Y[k] tömböt az Y[k+1]:= w*X[k]+(1-w)*Y[k] képlet szerint számítjuk, ahol 0<w<1 sulyfaktor. Ez egy t=D t*(1-w)/w időállandóju aluláteresztő szűrő. Célszerű w=1/2^j értéket (pl 1/16 vagy 1/64, akkor t =D t*(2^j-1)) választani, ui. a 2^j -vel való osztás bináris eltolássá egyszerűsödik pl. 1001111 div 2 = 0100111. A fenti képlet átírható a Y[k+1]:= Y[k]+w*(X[k]-Y[k]) alakba, melyben csak összegzések és 2^j -vel való osztás, tehát bináris eltolás szerepel. Az ilyen digitális szűrő igen egyszerű hardware eszközökkel (bináris összeadókkal, és shiftregiszterekkel) megvalósítható, tehát gyors.

A hardware összegzés és a digitális szűrő összekombinálható: ha az összegzés Y[k]:=(1-w)*Y[k] + w*X[k]/Ntransients alakú, akkor az összegben a régi tagok "elfelejtődnek", az új tagok átlaga dominál.

3. Az átlagolás egyszerű hardware eszközökkel (bináris összeadókkal) megvalósítható, tehát gyors és üzembiztos.

4. Az átlagolásnak két célja van: zajcsökkentés és felbontásnövelés. Elvileg az összegzés során a felbontás nő (pl. 12 bites felbontásu jel 16-szor összeátlagolva legjobb esetben 16 bitessé változik). A zaj szerepe kettős: ha túl kicsi (pl. 1 bitnél sokkal kisebb, akkor az 1 bites lépcsők 4 bitessé változnak, tehát az AD konverzió által okozott csonkítás továbbra is fennmarad. Ha a zaj nagyon nagy, akkor sokat kell átlagolni. Az optimum kb. az, ha néhány LSB-nyi zaj van a jelen - sokszor mesterségesen adunk zajt (dither) a jelhez.

5. Példák: radarvisszhang a Holdról, impulzus fotokémia, radiokémia

3.7.3 Szinkron egyenirányítás, fázisszelektív detektálás

Alapja: csak akkor nem zérus, ha k természetes egész szám.

Spektroszkópiai példák: kis fényintenzitás mérése

1. példa: Kis intenzitású (pl. monokromátorból jövő) fény mérése fényszaggatással, és a szaggatással szinkron egyenirányítással.

2. példa: fény spektrumának mérése a monokromátor hullámhosszának modulálásával és azzal szinkron egyenirányítással. A kimeneten a spektrum hullámhossz szerinti deriváltjával arányos feszültség jelenik meg.

3. példa: A K₁ és K₂ küvettákban a mérendő ill. összehasonlító oldat van. A kimeneten az a fényelnyelés különbségével arányos feszültségjel jelenik meg.

Fázisszelektív detektálás

• Fázistoló áramkör van a referenciaágban: fázisérzékeny detektálás (lock-in erősítő)
• Analóg (klasszikus) lock-in erősítő: Kapuzás (kapcsolgatás), négyszögjellel szorzás;
• Digitális (modern) lock-in erősítő: szinusz-szal, koszinusszal szorzás (numerikusan): így a Fourier-együtthatókat kapjuk meg.
• Fourier-analizátor, spektrumanalizátor: szimultán sok frekvencián számítja a Fourier-együtthatókat
• FRA, (frequency response analyzer), vektorvoltmérő: van (U_x²+ U_y²)^1/2 kimenet

Digitális lock-in erősítő blokkvázlata

Az U_be mérendő feszültség az EE előerősítő után a Sz szűrőn keresztül jut az ACE jelű AC erősítőre, majd onnan az x-szel jelölt szorzóegységekbe. A referenciacsatorna kulcseleme az Osz jelű oszcillátor. Ez beállítható frekvenciáju és amplitudójú szinuszjelet állít elő, amely egyfelől a KE erősítő kimenetén megjelenve külső modulációhoz felhasználható. Másfelől, az oszcillátor a Ref_be bemeneten keresztül bejövő külső referenciajelhez szinkronizálható a PLL (phase locked loop) egység segítségével. Az oszcillátor szolgáltatta szinuszjel fázisa az FT fázistoló egységben megváltoztatható. Az alsó, és felső szorzóegységben tehát a jelcsatornán kierősített feszültség szinuszjellel, illetve a FT₉₀ 90 fokos fázistoló egységben képzett koszinuszjellel szorzódik össze. A szorzóegységek kimenetén megjelenő feszültségeket a DCE jelű erősítőkben egyenszint leválasztása után tovább erősítjük; ezek (az Ux_ki és Uy_ki feszültségek) a kimenő feszültségek. Ezekből a Psz jelű polárkoordináta számító egységben abszolut érték és fázisszög is számítódik és kerül az Uabs_ki ill. f _ki kimenetére.

Modern, digitális lock-in erősítőkben a nagy téglalapon belüli egységek nem feszültségjeleket, hanem AD konverterekkel digitalizált jeleket (számokat) dolgoznak fel (pl. a szorzóegység egy numerikus processzor). Ilyenkor a nagy téglalappal jelölt funkcionális egység neve DSP (digital signal processor).

4 Mérések adatgyűjtő kártyákkal és személyi számítógéppel

4.1 Számítógép és vezérlések

Számítógép:

• logikai -aritmetikai egység - programtár - adattár - külvilág (IO)
• adatok is, parancsok is byte-okban vannak (k*8 vezeték + föld = busz)
• belül párhuzamos adatátvitel (ISA, PCI)
• külvilág felé rendszerint soros (pl egér, klaviatúra, modem); hagyományok miatt párhuzamos a GPIB és a printer)
• memória: volatilis:RAM, permanens:ROM, EEPROM, flash memória, kis fogyasztású: CMOS;
• címek: bizonyos címeken rendszerparaméterek találhatók - táblázat; portcímek (IO célokra)

Mikroprocesszor:

• A logikai-aritmetikai egység egyszerű műveletekre képes: byte-ok összehasonlítása, összeadás, fixpontos számok szorzása; lebegőpontos művelet: koprocesszor
• timer: funkcionálisan 8254-es; ami 55 ms-onként a $46C-t megnöveli eggyel.
• két mikroprocesszorcsalád van: Motorola 6800 és Intel 8080 utódai.

Vezérlések:

• vezérlések elvégzéshez a logikai -aritmetikai egység - programtár - adattár külvilág (IO) egységek össze vannak integrálva - ezek a mikrokontrollerek.
• fejlesztőrendszer; program (1-2 kByte esetleg) beégetés, vagy letöltés
• nem programozhatók - mikrokontroller: mosógép, fényképezőgép, pH mérő
• programozható:PLC (bit ki, be, relés kapcsolások, ADC, DAC ) egyszerű, megbízható (közlekedési lámpa)
• bonyolultabb: folyamatvezérlő számítógép - ujabban PC (ipari PC: üzembiztonság, megbízhatóság, egyszerűség, párhuzamos, tartalék, watchdog)

4.2 Mérőkártyák

• információ: AD-DA, timer (analóg) DIO, léptetőmotor vezérlő (digitális), frame grabber (kép)
• általános célu műszerek: sokcsatornás analizátor, oszcilloszkóp, spektrofotométer, potenciosztát
• egyedi berendezések vezérléséhez: 8255 alapu kártyák
• kommersz elektronikai megoldások felhasználhatók: DIO-ra a printerport, ellenállásmérésre a gameport, AD-DA (sajnos csak hangfrekvenciás AC alkalmazáshoz) hangkártyák
• jelkondicionálás (mechanikai csatlakoztatás, erősítés, szűrés, galvanikus leválasztás, szimultán mintavételezés) rendszerint a felhasználó feladata
• beállítandó: interrupt level, DMA channel, alapcím

Programozásuk

• címkiosztás, példaprogramokkal;
• driver - parancskészlet, (pascal,C), Labview driver
• komplett virtuális műszer program

Programozási példák:

1. példa: egy polarográfiás függőcsepp elektródot egy PCL-812 PG típusú kártya vezérel. A kapilláris zárt, ha a DIO14 nevű IO byte 6. bitje 1, nyitott, ha 0.

procedure PSDropHalt(b:byte);	{DIO14, 6.bit}
begin
	if b>0 then b:=1;
	DIO14:=(DIO14 and 191);
	if b=1 then DIO14:=DIO14+64;
	{vagy: DIO14:=(DIO14 and 191) or (b shl 6);}
	port[base_address+14]:=DIO14;
end;

2. példa: feszültségmérés: {egyszeri AD konverzió a PCL/812PG-vel}

function MeasV:integer;
var i:integer; hib,lob:byte;

begin
  port[base_address+11]:=1;   {software trigger enable}
  hib:=port[base_address+5];  {törli az EOC (end of conversion) bitet}
  port[base_address+12]:=1;   {software trigger}
  i:=0;
  repeat
    hib:=port[base_address+5]; i:=i+1;
  until (hib<16) or (i=100);  {Fontos: timeout lekezelés}
  lob:=port[base_address+4];
  mv:=hib shl 8 + lob;           {mv=256*hib+lob}
  if i=100 then MeasV:=9999 else MeasV:=mv;
end;

3. példa: feszültségmérés 20 ms-os integrálással

function measV20ms:real;
var i:integer; vl:longint; mv: real; vv:integer;
begin
	i:=0; vl:=0;
	StartTimer;   {Timer: egy számláló, amely másodpercben adja
					 meg a StartTimer kiadása óta eltelt időt,
					 pl. a kártyán lévő 8254-es kiolvasásával}
	repeat
		vv:=MeasV;
		if not (vv=9999) then begin
			i:=i+1; vl:=vl+vv;
		end;
until ReadTimer>0.02;
if i>0 then MeasV20ms:=vl/i else MeasV20ms:=9999.0;
end;

4. példa: Leállás elleni védekezés: keretprogramból (Main.exe) exec-kel hajtjuk végre magát a mérőprogramot (Measure.exe) ami pl. esc megnyomással állítható le.

Program Measure;
....
procedure EscTest;
begin
 KeyTest; if EscPressed then CloseAll; halt(27);
end;
....
begin
  repeat Measurements; EscTest; until világvége;
end.

Program Main;
...
repeat
  exec('Measure.exe',''); i:=DosexitCode;
  WriteDEClogFile(i);      {Egy naplófájlba kiirja a hibakódot}
until (i=27);
end.

Ezzel csak a runtime error-ok küszöbölhetők ki, a tényleges lefagyások csak resettel - watchdog.

4.3 Műszerek összekapcsolása, interface rendszerek

Analóg adatátvitel: telefon, hangfrekvencián 48 V ac, modem

4.3.1 Soros adatátvitel: RS232 és társai

1. RS232C. Legegyszerűbb soros rendszer

Fizikailag:

• ± 3..12V; 0 (LO) = +3V..+15V; 1 (HI) = -15V..-3V
• minimum 3 vezeték (jel oda, vissza, föld), legáltalánosabban 9 vezeték (TxD, RxD (transmit data, recieve data: jel oda , vissza); RTS, CTS (request to send, clear to send: küldj, küldök), DSR, DTR (data set ready, data terminal ready: adatpuffer üres/tele), DCD (data carrier detect, van telefonvonal), RI (ring indicator: telefon kicseng), GND: jelföld.
• csatlakozó 9 pólusu, 25 pólusu (lásd még áramhurok)
• műszerhez (Data Communication Equipmenthez: modemhez, printerhez, műszerhez) direkt vezetékek (pl RxD <-> RxD, TxD <--> TxD, GND <-> GND; a kábelen számítógépnél anya, műszernél apa)
• másik számítógéphez (Data Terminal Equipmenthez) felcserélt vezetékek (pl RxD <-> TxD, TxD <--> RxD, GND <-> GND; anya-anya kábel)
• Handshake: RTS/CTS; handshake vonalak földelhetők.

Adatátvitel protokollja: megadandó a

baud rate (bit/s) szokásosan 9600 baud, 38400 stb.

adatátvitel: 7 vagy 8 bit (klasszikus vagy ékezetes karakterek is)

paritásbit, stopbit

Tipikus bitsorozat (frame):

2. Javított RS232:

• RS 423A: ± 3.6 V; 2 koaxiális kábel (oda és vissza); 300kBaud 30m vezetékhossznál; efelett rohamosan lecsökken.
• RS 422A: ± 2 V; 2 csavart érpár; 2MBaud 60m vezetékhossznál; efelett rohamosan lecsökken.
• RS 485: ipari szabvány, csavart érpár, címezhető

3. Áramhurok (current loop, TTY interface)

20 mA (optocsatolt, zavarvédett); 4 vezeték (jel oda, jel vissza, + földek); max 1000 m távolságra használható.

4.3.2 Párhuzamos adatátvitel: GPIB

Printerport - szükség esetén DIO (digitális vezérlési) célokra felhasználható

GPIB: General Purpose Interface Bus; HPIB (1965), Hewlett-Packard Interface Bus, IEEE-488, IEC-625

Általános felépítés: vezérlő(k) (controller (számítógép)); + max. 31 műszer; kábelezés (összes hossz < 2 méter*készülékek száma<20 m; 24 pólusu piggyback, Amphenol késes, csillag v. lánc; 25 pólusu tűs csatlakozó, metrikus - amerikai rögzítés) - open collectoros meghajtások (negatív logika, zajvédettség)

Használat:

Vezérlő: manapság rendszerint PC + NI (National Instruments) kártya + pascal, C, Labview, Labwindows software

Konfigurálás: címek beállításával + konfigurálóprogrammal: címek, szimbolikus nevek, adattranszfer adatai (hány bit, hogyan végződjön az adatforgalom (tipikusan CRLF), EOI jelezzen, timeout)

Tesztprogramok: egyedi parancsok kiadhatók pl ibwrt r2; ibrd; ibspoll;

Általában, a küldött adatok lehetnek vezérlőparancsok és mérési adatok (számok). A GPIB kompatibilis műszerekhez tartozik egy, az adott típusra jellemző parancskészlet (stringek) amelyekkel az előlapi kezelőszervek hatását lehet programból elérni. Például, egy adott típusú feszültségmérőnek a GPIB-n keresztül elküldött "R2" ill. "R3" stringek a 2 V-os ill. 20V-os méréshatárba állítják a műszert, a műszer által mutatott feszültség értékét pedig általában egy stringként (tehát digitenként 1 byte-ként) lehet kiolvasni.

A műszerek kezeléséhez tehát mérőprogramokat kell írni (vagy venni); a programozás manapság nem bonyolult: író és olvasó utasítások sorozatát kell megszerkeszteni. Például, az alábbi pascal nyelvű programban a WriteGPIB(fra, 'IP1,1'); WriteGPIB(fra, 'FR10000'); procedurák azt eredményezik, hogy az fra azonosítóju műszer az 'IP1,1' utasítás hatására a hátlapi csatlakozókon az 'FR10000' stringnek megfelelően 10000Hz-es frekvenciáju jelet fog kibocsájtani. Az s:=ReadGPIB(fra) függvény meghívása pedig azt jelenti, hogy az fra azonosítóju műszerből az s a vezérlő számítógép az s stringet kiolvassa (ez több szám együttese, amit persze majd egyedi számokra szét kell bontani). Egyszerűsíti a programozást, hogy az utóbbi időben a készülékgyártók igyekeznek azonos hatásu utasításoknak azonos nevet adni - tehát szabványos parancskészletek alakulnak ki.

Modern grafikus programozási nyelv a LabView, amely tartalmazza a GPIB-vel kompatibilis műszerek meghajtóit (tehát a fenti stringkészleteket). E nyelv különösen alkalmas arra, hogy szemléletes működésű mérőrendszereket hozzunk létre.

Működés:

8 adatvezeték + 8 vezérlővezeték (címbusz nincs, ha ATN, akkor ami megy az adatbuszon, akkor az adat az éppen cím)

A 8 vezérlővezeték 3 handshake és 5 rendszeradminisztrációs vonal.

A vezérlő a címmel azonosított egyes készülékeket beszélőknek illetve hallgatóknak jelöli ki; ezután a beszélő adatot küld a hallgatónak. Az adatátvitel hardware handshake szinkronizálással megy (hiszen különböző sebességű készülékek lehetnek jelen). A handshake vonalak jele DAV (Data Valid), NDAC (Not Data Accepted), és NRFD (Not Ready For Data). Ezek negatív logikájuak, tehát ha DAV logikailag igaz, akkor fizikailag LO állapotban vannak; un. nyitott kollektoros kimenetek, vagyis a vezetéken áram folyik és kis feszültség van. Két vagy több nyitott kollektoros kimenet ÉS kapcsolatot jelent, vagyis a vonal akkor lesz csak HI állapotban, ha mindegyik kimenet HI. Pl. a NRFD vonal akkor lesz HI állapotu (logikailag: az összes készülék kész adatot fogadni, fizikailag HI állapotu) ha minden egyes készülék NRFD kapuja HI állapotu. A handshake a következő időzítés szerint megy:

1. A kijelölt hallgatók felengedik a NRFD vonalat, amikor mindegyik felengedik, akkor az HI állapotba kerül ("mindegyikünk kész az adatfogadásra").

2. A beszélő a jelvezetékekre kiteszi az adatot (bájtot) és lehuzza a DAV vonalat ("van érvényes adatom")

3. A hallgatók beolvassák az adatot, és amelyik kész van, felengedné a NDAC ("megkaptam") és lehuzza a NRFD vonalat ("további adatot most nem tudok fogadni, meg kell emésztenem a mostanit").Ám a NDAC vonal akkor lesz ténylegesen fent, ha már mindegyik hallgató bevette az adatot. Ezt a beszélő felismeri, és a DAV-ot felengedi, az adatot törli a buszról. Ezt érzékelvén a hallgatók is lehuzzák a NDAC vonalat; majd idővel az NRFD vonalat is felengedik.

4. Innentől a következő byte küldése ugyanebben a sorrendben az 1. pontban leirtaktól kezdve történik.

Vegyes lehetőségek:

Egyszerre több vezérlő is lehet jelen, de csak mindig egy lehet aktív, és az egyiknek ún. rendszervezérlőnek kell lennie (ő a főnök). A vezérlés tehát átadható.

Hibalekezelés:

Parallel poll: ATN és EOI hatására az első 8 készülék - egy bizonyos feltételrendszert (parallel poll mask) kielégülése esetén kitehet 1 bitet.

Serial poll: Az a készülék, amelyiknek valamilyen baja van (a status byte 6. bitje 1) az lehuzza ezt a vonalat. Ezzel megszakítást (interruptot) lehet generálni. Ezután egyesével végig kell kérdezni az egyes készülékeket, lekezelni a bajt.

Törlés: IFC - interface clear; (interface reset); DCL - device clear (készülék reset) - vezérlővezetékek; SDC: selective device clear - csak a megcimzett készülékeket reseteli

GET (group enable trigger) parancs

REN - van local, remote és local lockout állás

Parancskészlet: egy adott készüléknek nem kell az összes funkciót teljesíteni tudnia - pl egy GPIB printernek lehet listen only, egy voltmérő talk only (és akkor nem is kell vezérlő), van ami nem érti a GET-et stb.