Strumentazione Automatica di Misura e Sistemi ATE. Hardware e Software

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1 Strumentazione Automatica di Misura e Sistemi ATE Hardware e Software

2 Sommario Introduzione Classificazione della strumentazione di misura Generalità sull hardware dei sistemi ATE Principali standard industriali correnti: IEEE488 (o GPIB), VXI, PXI, IEEE1178, LXI Generalità sul software di controllo dei sistemi ATE: principali ambienti di sviluppo e tecnologie software disponibili Principali standard di riferimento per lo sviluppo software per sistemi ATE: SCPI, VISA, IVI

3 Introduzione La misura di grandezze fisiche di varia natura (pressione, temperatura, corrente elettrica, ecc.) è di fondamentale importanza nell attuale realtà industriale e/o scientifica; La misura può essere necessaria per i motivi più disparati: controllo automatico di qualità di prodotti nell industria, verifica di ipotesi scientifiche, ecc. La mole di dati da raccogliere ed elaborare è spesso di tale rilevanza da rendere indispensabile il ricorso a sistemi di misura automatizzati controllati da computer;

4 Uno schema a blocchi della catena di misura misura Variabile trasdotta (tensione o corrente) Raccolta dati manuale Processo Trasduttore dispositivo di misura (strumento stand alone o da sistema) Variabile di processo (pressione, temperatura, spostamento, ecc.) Raccolta dati su PC dotato di sistema DAQ o controller ATE + software per datalogging, elaborazione, presentazione risultati, ecc.

5 strumentazione di misura una prima classificazione sommaria stand-alone DMM palmari, strumentazione analogica da banco, ecc. in cabinet o benchtop (GPIB, RS232, ) da sistema Instrument on A Card (PXI, VXI, VME, )

6 Strumentazione stand alone (DMM palmari, strumentazione analogica da banco, ecc.) pregi economicità d'acquisto e d'esercizio; semplicità d'uso; dimensioni e peso ridotti portatilità; difetti scarse (o nessuna) possibilità di connessione a unità esterne per controllo remoto dell operatività; raccolta dati manuale lentezza delle operazioni di misura; possibili errori di interpretazione delle letture;

7 Strumentazione da sistema (GPIB, VXI, PXI, ) pregi programmabilità delle procedure di misura; funzionamento in modo totalmente automatico; raccolta dati centralizzabile su calcolatore (a fini di postelaborazione, archiviazione, reporting, ecc.). difetti costi iniziali piuttosto elevati; necessità di sofisticati software di supporto; complessità di manutenzione ed aggiornamento.

8 Strumentazione da sistema (GPIB, VXI, PXI, ) Confronto tra strumenti da sistema benchtop e IAC: gli oscilloscopi Agilent Serie 6000x Serie 6000 Serie 6000L

9 Generalità sulla strumentazione automatica di misura ed i Sistemi ATE Un Sistema ATE (Automatic Test Equipment) è costituito da un insieme di strumenti di misura (oscilloscopi, analizzatori di spettro, multimetri, ecc.) e/o apparecchi ausiliari (generatori di funzioni, matrici di switch, alimentatori, ecc.) opportunamente connessi tra loro e con un dispositivo supervisore. Stabilite le connessioni con i punti di misura/attuazione (variabili di campo) un sistema ATE può operare anche in modo totalmente automatico sotto il controllo di un programma di supervisione in esecuzione sul dispositivo supervisore (normalmente un computer opportunamente programmato e interfacciato agli strumenti).

10 Un sistema ATE può comprendere anche sofisticati dispositivi di acquisizione dati (DAQ) e dispositivi modulari per il condizionamento dei segnali provenienti dai sensori e/o diretti agli attuatori sul campo. In questo caso in uno stesso sistema ATE si possono avere più bus di comunicazione distinti per le varie tipologie di dispositivi di misura presenti. Per applicazioni industriali i sistemi ATE costituiscono spesso il solo front-end di misura di più complessi sistemi di automazione distribuita comprendenti elementi quali PLC e PC industriali oltre che sistemi di supervisione integrata (sistemi SCADA/HMI). Per applicazioni scientifiche i sistemi ATE sono invece spesso sistemi a se stanti utilizzati per la raccolta e la successiva elaborazione di dati utili al rilievo delle caratteristiche o alla validazione di modelli matematici di dispositivi fisici.

11 I principali elementi costitutivi di un sistema ATE Controller Strumento o Dispositivo Ha funzioni di supervisione e controllo: trasmette i comandi ai dispositivi e riceve da questi i dati di misura attraverso il (o i) bus di comunicazione. E' normalmente un calcolatore opportunamente interfacciato al (o ai) bus di comunicazione e che esegue il programma di supervisione. Riceve, interpreta ed esegue i comandi provenienti dal controller: imposta la modalità di acquisizione, fornisce le eventuali risposte (risultati di una misura, messaggi di stato, ecc.). Bus di comunicazione Costituisce il "canale di comunicazione" tra strumenti e controller. Risponde sempre a precise disposizioni normative (meccaniche ed elettriche).

12 Le principali architetture dei sistemi ATE (1/4) Controller bus di comunicazione strumento 1 strumento 2 strumento N intra-instrument (GPIB, HP-IL, )

13 Le principali architetture dei sistemi ATE (2/4) Controller strumento 1 Strumento 2 Strumento N controller to instrument (RS232, USB, )

14 Le principali architetture dei sistemi ATE (3/4) Synthetic Instruments (VME, VXI, PXI, )

15 Le principali architetture dei sistemi ATE (4/4) Controller LAN WAN strumento 1 strumento 2 strumento N Architettura distribuita su rete LAN/WAN (LXI)

16 Standard industriali correnti per l hardware dei Sistemi ATE IEEE488 (GPIB) VXI PXI IEEE1178, IEEE1394, IEEE802.3 LXI

17 Introduzione I primi sistemi di test e misura automatici sono stati introdotti nei lontani anni '60. L assenza di precisi standard di riferimento per l hardware e per il software di questi dispositivi rendeva all epoca molto complessa l integrazione di strumenti di produttori diversi in uno stesso sistema ATE. Il primo standard ATE ad apparire sul mercato è stato il GPIB (General Purpose Interface Bus), inizialmente proposto da Hewlett- Packard (1965) e successivamente standardizzato (1975) dallo IEEE. Oggi è noto con il nome di ANSI/IEEE488 (USA) o IEC 625 (CE).

18 Cronistoria dello standard GPIB 1965: La Hewlett-Packard introduce il sistema HP-IB per il controllo remoto della propria linea di strumenti di misura programmabili 1972: Lo IEEE inizia l'iter di standardizzazione del bus HP-IB 1975: Il sistema HP-IB diviene lo standard IEEE (specifiche elettriche e meccaniche) 1987: Revisione IEEE (trattamento unificato di stato ed eventi) 1990: Introduzione dello SCPI per la strumentazione programmabile 1992: Estensione IEEE (definizione del formato dei dati) 1993: Presentazione del protocollo HS488 (NI e CEC)

19 Caratteristiche essenziali del bus GPIB Bus di tipo intra-instrument, parallelo a 8 bit con 5 linee di gestione generale dell'interfaccia e 3 di sincronismo (handshake); architettura tipo party-line (linee omonime di tutti gli apparecchi connesse in parallelo); handshake interlacciato per garantire la corretta ricezione dei dati anche da parte dei dispositivi più lenti; 14 dispositivi max contemporaneamente attivi sullo stesso segmento di bus (lunghezza max 20 m); 1 MByte/s di transfer rate massimo (8 MByte/s con handshake HS488);

20 Il connettore lato femmina per la connessione in partenza verso altri strumenti lato maschio per la connessione in arrivo allo strumento

21 Il bus GPIB è oggi una delle più diffuse interfacce nell'ambito della strumentazione da sistema di tipo benchtop. La maggior parte degli strumenti di questo tipo sul mercato sono (o possono essere) equipaggiati con moduli di connessione al bus GPIB. connettore GPIB connettore RS232 esempio di strumento dotato di interfacciamento GPIB (+ RS232) di serie (Generatore di funzioni Agilent 33120A)

22 Esempi di controller GPIB (1/3) (convertitori di protocollo) plug-in per bus PCI

23 Esempi di controller GPIB (2/3) (convertitori di protocollo) per bus USB

24 Esempi di controller GPIB (3/3) (convertitori di protocollo) per rete Ethernet

25 I perché della revisione IEEE Lo Standard IEEE definisce le sole specifiche meccaniche, ed elettriche del protocollo per strumentazione e dispositivi programmabili ma non definisce il formato dei dati, i comandi di configurazione, ecc. La disomogeneità nei set di comandi di strumenti di diversa origine comportava serie difficoltà ed elevati costi di manutenzione per il software di supervisione dei sistemi automatici di misura. Se in un sistema ATE già operativo si presentava la necessità di sostituire anche un solo strumento con un altro di diversa origine, era sempre necessario apportare modifiche anche significative al software di controllo.

26 Quello che la revisione IEEE488.2 definisce Un set di comandi base (common commands) ed i formati di dati da utilizzarsi per lo scambio di informazioni tra i vari dispositivi I diversi tipi di messaggi scambiabili fra controller e dispositivo (comandi e interrogazioni) i principali eventi che possono verificarsi durante il funzionamento di un dispositivo ed una struttura a registri programmabile per la segnalazione di questi ultimi al controller e quello che non definisce la semantica dei comandi un set di istruzioni univoco da utilizzarsi per le diverse tipologie di strumenti

27 Standard VXI (VMEbus extension for Instruments) (Synthetic instruments)

28 Consente l uso di moduli di diverse case costruttrici senza problemi di conflittualità meccaniche o elettriche. Consente trasferimenti dati a 8, 16 e 32 bit ma con transfer rate massimo limitato a circa 80 MByte/s; Non si basa sulla tecnologia dei Personal Computer quindi non può trarre vantaggio dai suoi progressi; E' in assoluto la piattaforma ATE più costosa sul mercato; fino a pochi anni fa era anche la più performante; E' ancora molto utilizzata (soprattutto in applicazioni di fascia alta) dati la grande diffusione avuta in passato (prima dell'introduzione delle architetture ATE più recenti) e l'elevato costo;

29 Standard PXI (PCI extension for Instruments) (intra-board/intra-cabinet)

30 Consente l'uso di moduli di produttori diversi Si basa sullo standard CompactPCI (PCI = Peripheral Component Interconnect) molto diffuso in ambito industriale; Usa il meglio della tecnologia dei Personal Computer (hardware e software) man mano che si rende disponibile (Open Standard); Consente trasferimenti di dati a 8, 16, 32 e 64 bit con transfer rate fino a 264 MByte/s (previste estensioni fino a diversi gigabyte/s); Le sue rigide specifiche meccaniche ed EMC ne fanno un ottimo candidato per applicazioni industriali e di test e misura di fascia alta; E' relativamente poco costosa (costi intermedi ai sistemi basati su PC ed a quelli basati su piattaforma VXI);

31 Standard IEEE1174 (controller to instrument)

32 Basato sulla specifica RS232, da decenni standard sui PC ma da qualche tempo in declino nel mercato consumer; insieme con le sue varianti RS422 e RS485 è una delle interfacce seriali riconosciute a livello internazionale ed è presente in molti strumenti e dispositivi usati in ambito industriale (soprattutto su quelli portatili); Consente transfer rate massimi di 384 kbit/s ma su corte distanze (pochi metri); le varianti RS422 e RS485 consentono velocità superiori (> 10 Mbit/s) su distanze dell ordine del kilometro ma non sono molto utilizzate negli strumenti di misura; E' una connessione di tipo "punto-punto" (una porta di comunicazione sul controller per ogni strumento); la RS485 consente invece la connessione di 32 dispositivi sullo stesso bus La recentissima standardizzazione dello IEEE ha permesso di armonizzarne definitivamente l uso nell'ambito della strumentazione programmabile;

33 architettura distribuita su rete LAN/WAN

34 Altri bus di recente standardizzazione per i sistemi ATE USB (Universal Serial Bus) che consente velocità di picco di 480 Mbit/s (USB 2.0) con la possibilità di connettere fino a 127 dispositivi; di recente è stata infatti introdotta la classe di periferiche USBTMC (USB Test & Measurement Class) con relativo driver; IEEE1394 (FireWire) che consente velocità di picco di 400 Mbit/s (oltre 3 Gbit/s nella versione su fibra ottica);

35 Il software di controllo dei sistemi ATE

36 L'hardware di misura non è tutto! Ogni sistema ATE è gestito da un apposito programma di supervisione e controllo che, nella maggior parte dei casi, è sviluppato ad hoc per la specifica applicazione; i compiti di quest'ultimo sono: controllo e coordinamento delle operazioni di misura (dire agli strumenti cosa fare, come e quando), raccolta dati dal lato controller, elaborazione dei dati di misura per estrazione delle informazioni di interesse, presentazione dei risultati (in forma di tabelle, grafici, ecc.) archiviazione su dispositivi di memoria di massa. un sistema ATE privo di un simile supporto software sarebbe del tutto inoperativo o potrebbe essere utilizzato solo in modo manuale (solo strumenti benchtop )

37 il programma di supervisione può "dialogare" con la strumentazione (trasmettendogli i comandi ed aspettando le eventuali risposte) grazie al software di supporto fornito dal costruttore del controller o da terze parti. Fondamentalmente esso è costituito da tre parti distinte: un driver di basso livello per il sistema operativo in uso; una o più librerie API (Application Programming Interface) ; uno o più moduli di interfacciamento versounoopiùambienti di sviluppo supportati; una o più utility; L'interazione di un eventuale operatore umano con l'hardware di misura è garantito da un'apposita interfaccia utente grafica interattiva (strumento virtuale)

38 il driver la libreria API i moduli di interfacciamento agli ambienti di sviluppo utility consente di realizzare l interfacciamento tra il controller ed il sistema operativo del calcolatore al quale quest'ultimo è connesso. consente di realizzare l interfacciamento tra il driver di basso livello e le applicazioni utente. Il sistema operativo fornisce supporto alle operazioni di scambio dati a questo livello. Per ragioni di copyright sono sempre in forma compilata e non modificabile dall'utente. sono dei moduli software dati spesso in forma sorgente che consentono l'accesso alle varie funzioni della libreria API dai vari ambienti supportati. sono dei programmi che consentono di eseguire semplici operazioni di verifica e debug dello stato del sistema ATE. Generalmente sono forniti in forma compilata e non modificabile.

39

40 Losviluppoelamanutenzionedelsoftwaredisupervisioneecontrollo di un sistema ATE richiede approfondite conoscenze tanto delle varie tecnologie software disponibili quanto delle caratteristiche della strumentazione che si intende controllare. In questo ambito si è avuto un notevole impulso positivo dall'introduzione dei nuovi ambienti di programmazione "visuale" (NI LabVIEW,Microsoft Visual Basic /Visual C++,BorlandDelphi, ecc.) e delle nuove tecnologie software (COM, DCOM, ActiveX,.NET)

41 La selezione dell'ambiente di sviluppo del software di supervisione: primo e più importante problema da risolvere breve panoramica e confronto tra le principali alternative oggi disponibili

42 Le possibili alternative: Ambienti specifici per il controllo di strumentazione numerica e hardware DAQ Ambienti specifici per l'elaborazione di dati scientifici Ambienti di tipo "RAD generici Soluzioni "ibride"

43 Ambienti specifici per il controllo di strumentazione numerica e dispositivi DAQ (LabVIEW, CVI, HP VEE, TestPoint, ATEasy, HTBasic, ecc.) Pregi: Grande flessibilità nell'interfacciamento alla strumentazione di misura ed ai dispositivi DAQ; Flessibilità nella creazione dell'interfaccia utente; Programmazione semplice e veloce per algoritmi di bassa/media complessità. Difetti: Non dispongono di funzionalità avanzate per l'elaborazione di dati numerici; Difficile implementazione di algoritmi complessi; Elaborazione lenta per grandi moli di dati e/o per algoritmi computazionalmente impegnativi.

44 Esempio: un programma (strumento virtuale) sviluppato in LabVIEW

45 Ambienti di tipo "RAD" (Rapid Application Development) (MS Visual Basic /C++, Borland Delphi e simili) Pregi: Creazione dell'interfaccia utente in modo semplice e veloce; Programmazione avanzata di tipo event-driven; Interfacciabilità (relativamente) semplice alla strumentazione di misura; Disponibilità di tecnologie avanzate come MS COM/DCOM, ActiveX e.net per la rapida ed efficace integrazione di componenti software di terze parti anche molto sofisticati; Difetti: Mancanza o scarsità di avanzate funzionalità di elaborazione numerica; Sono richieste conoscenze di programmazione anche piuttosto avanzate;

46 Modalità di lavoro in un tipico ambiente RAD: Borland Delphi (Inprise Corp.)

47 Ambienti specifici per l'elaborazione di dati scientifici (MATLAB, Mathematica, ecc.) Pregi: Programmazione semplice; Dispongono di librerie complete per la soluzione di ogni tipo di problema scientifico; Difetti: Limitata interattività nella creazione dell'interfaccia utente; Accesso difficoltoso ai dispositivi DAQ o alla strumentazione di misura con controllo centralizzato da PC.

48 Soluzioni "ibride" (più ambienti specializzati tra loro cooperanti) Pregi: (quasi) tutti quelli dei singoli ambienti utilizzati. Difetti: Programmazione complessa (sono spesso necessarie conoscenze avanzate); Costi iniziali elevati (richiedono più pacchetti software); Possibili problemi nel dialogo tra i vari ambienti; Scarsa efficienza computazionale.

49 Standard software per i sistemi ATE SCPI: Standard Commands for Programmable Instruments VISA: Virtual Instruments Software Architecture IVI: Interchangeable Virtual Instruments

50 SCPI i perché di un set di istruzioni standard Dallaprimacomparsadellastrumentazione di misura programmabile e fino a pochi anni fa le diverse case costruttrici normalmente implementavano per i propri strumenti set di comandi proprietari. Identici comandi potevano avere differenti significati per strumenti di diversi produttori o (più frequentemente) identiche funzioni su strumenti diversi (anche se dello stesso produttore ) richiedevano comandi completamente differenti. Sotto la guida dello SCPI Consortium UK (un associazione dei maggiori produttori di strumenti programmabili, oggi assorbito dalla IVI Foundation) si è ottenuto uno standard noto come SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments), che introduce un modello unico per gli strumenti di misura programmabili e incoraggia l'uso di un set univoco di istruzioni per il loro controllo remoto.

51 Introduce un modello di riferimento adattabile ad ogni strumento/dispositivo di misura e/o stimolo; I pregi dello SCPI Introduce e standardizza le regole per la composizione dei comandi della strumentazione programmabile; E' un estensione dello standard IEEE488.2, quindi è con esso pienamente compatibile; E indipendente dal particolare standard hardware può essere adottato anche su strumentazione programmabile non GPIB; Riduce nettamente (se non azzera ) i tempi di adattamento del software di supervisione di un sistema ATE quando è necessario sostituire uno strumento con uno di diversa origine (purché entrambi conformi alle direttive SCPI ); Riduce considerevolmente il tempo di addestramento degli amministratori di sistema e degli sviluppatori del software di supervisione; esempio di comando SCPI per un multimetro: :MEASURE:VOLTAGE:AC? 20, invece dei vari: ACVOLT 20, 0.001, oppure VOLTAC 20, 0.001, oppure FUNCTION ACVOLT 20, ecc.

52 Il modello di un generico strumento/dispositivo di misura elaborato dallo SCPI Consortium UK Funzione di misura Signal Routing INPut SENSe CALCulate FORMat data bus TRIGer MEMory DISPlay Signal Routing OUTput SOURce CALCulate FORMat Funzione di generazione di segnali

53 VISA (Virtual Instrument Software Architecture) Uno standard aperto per il controllo di strumentazione automatica indipendente dal bus di sistema (GPIB, Seriale, VXI, PXI, USB, ) E una libreria API (Application Programming Interface) di formato standard (nomi delle funzioni con ordine, tipo e significato degli argomenti fissi e non modificabili) Supportato da VXIPlug&Play System Alliance (un associazione di produttori di hardware di misura come NI, LeCroy, Agilent, ecc., oggi assorbita dalla IVI Foundation); Semplifica notevolmente lo sviluppo del software di controllo ma non consente di raggiungere la totale intercambiabilità dell hardware.

54 Un esempio d uso di VISA accesso ad uno strumento seriale in LabVIEW

55 IVI (Interchangeable Virtual Instruments) Uno standard aperto per il controllo di strumentazione automatica indipendentemente dal set di istruzioni dello strumento; Supportato da IVI Foundation, un consorzio costituito dai maggiori produttori mondiali di strumentazione programmabile; Come VISA è una libreria API di formato standard (nomi delle funzioni con ordine, tipo e significato degli argomenti fissi e non modificabili); Si propone come estensione e completamento di VISA richiede l installazione di una libreria VISA standard; Richiede l installazione di driver IVI specifici per ogni strumento (IVI instrument drivers); Consente un controllo fine dello stato degli strumenti riducendo al minimo il traffico dati sul bus; Consente di raggiungere (finalmente ) la totale intercambiabilità dell hardware di misura.

56 Conclusioni La strumentazione di misura programmabile riveste un ruolo di primo piano in moltissimi settori, dalla ricerca di base e applicata all automazione industriale; Esistono numerosi standard internazionali sia per l hardware che per il software di controllo dei sistemi ATE; Gli standard hardware (IEEE488, VXI, PXI, ecc.) consentono di realizzare sistemi ATE integrando strumenti di diversi produttori; Gli standard software (SCPI, VISA, IVI) e le moderne tecnologie di programmazione modulare (COM, DCOM, ActiveX,.NET) consentono di semplificare enormemente lo sviluppo e la manutenzione dell indispensabile software di supervisione;

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