Многоканальная система коммутации сбора данных RIGOL M300

Виктор Козаренко

Статья размещена в журнале «Электронные Компоненты» №11-2024.

В современном мире, возможность оперировать данными, полученными из различных источников, для анализа электрических и физических явлений, имеет важное значение. В этой процедуре, системы сбора данных (ССД) играют ключевую роль при накоплении и хранении информации с различных датчиков и устройств. ССД имеют множество применений во многих секторах экономики. Приведем несколько примеров:

• Мониторинг окружающей среды: инженеры-экологи и ученые используют ССД для мониторинга качества воздуха и воды, отслеживания и изучения погодных и экологических явлений. С датчиков можно снимать такие параметры, как температура, влажность, скорость ветра, уровень загрязняющих веществ и количество осадков.
• Промышленная автоматизация и управление: производственные предприятия широко используют ССД для автоматизации производственных процессов, обеспечения контроля качества выпускаемой продукции. С помощью датчиков контролируются такие факторы, как температура, давление, расход и вибрация станков и механизмов, что позволяет своевременно выполнять необходимые настройки, корректировки и профилактическое обслуживание.
• Автоматизация эксплуатации зданий: современные здания включают ССД для управления системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, освещением и безопасностью. Датчики помогают регулировать температуру, влажность и уровень CO₂ для обеспечения комфорта жильцов, повышают энергоэффективность.
• Исследования и разработки: Научно-исследовательские институты, университеты используют ССД для различных научных экспериментов и сбора данных. Контроль датчиками температуры, давления, деформации, ускорения способствует новаторским открытиям в физике, химии, биологии и инженерии.

 

ССД представляет собой комбинацию электронных компонентов, которая собирает данные с различных датчиков или преобразователей и конвертирует их в цифровой формат для обработки компьютером. Система обычно состоит из следующих основных элементов:

• датчики, преобразователи – устройства обнаружения и преобразования физических явлений, таких как температура, давление, световой поток, вибрация и т.д. в электрические сигналы (напряжения, токи) для их дальнейшей маршрутизации, хранения, обработки.
• устройство сбора данных, в комплекте с мультиплексорами, коммутаторами, аналого-цифровым преобразователем(АЦП), другими компонентами, которые управляют сбором данных и связью с компьютером.
• компьютер со специализированным программным обеспечением, предназначенным для сбора, отображения и последующего анализа собранных данных.

 

Темой данной статьи являются вторые и третьи звенья ССД.

 

Ведущий мировой производитель измерительного оборудования RIGOL Technologies Co., Ltd.более 10 лет выпускает системы коммутации и сбора данных серии M300. За это время они прекрасно зарекомендовали себя как надёжные и удобные в эксплуатации. Рассмотрим внимательно функциональные возможности и особенности конструкции приборов M300.

 

М300 имеет гибкую модульную структуру построения, позволяющую осуществлять гибкие сигнальные соединения и обеспечивающую возможность точных измерений. Основу составляет базовый блок М300 с 5-ю слотами для модулей, в который, при необходимости, можно установить измерительный модуль мультиметра (МС3065) разрядностью 6 ½, модули многоканальных мультиплексоров MC3120 (20 каналов), МС3132 (32 канала), МС3164 (64 канала), МС3324 (24 канала), многофункциональный модуль МС3534, 16-ти канальный несимметричный коммутатор МС3416 и матричный коммутатор МС3648 (4 х 8).

Рассмотрим особенности каждого из перечисленных компонентов системы М300.

Базовый блок системы M300

Базовый блок (рис. 1,) выполнен в портативном корпусе настольного исполнения. Опционально, пользователю для заказа доступна оснастка для установки М300 в 19-дюймовую стойку. На передней панели расположены: жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), клавиатура, индикаторы установленных, кнопка включения электропитания, интерфейсный разъём USBHOST. На задней панели размещены 5 слотов, в которые можно установить в любой комбинации сменные модули коммутации, мультиплексирования и измерения. Так же, на задней панели размещены: разъём аналоговой шины, разъёмы интерфейсов LAN, USBDEVICE (для внешнего управления), GPIB, многофункциональный разъём RS-232/Alarms/ExtTrig (использующийся, в том числе, для вывода сигналов оповещения и входа сигналов внешней синхронизации), разъём аналоговой шины AnalogBus (для подключения внешнего мультиметра), предохранитель, селектор питающих напряжений (110В/220В), разъём подачи электропитания, выход подключения шины заземления. Максимальное количество поддерживаемых коммутируемых каналов – до 320. Управление системой коммутации возможно, как в автономном режиме через органы управления на передней панели (без подключения к ПК), так и через специализированное ПО, установленное на ПК. Светодиодные индикаторы, расположенные в нижней правой части передней панели, информируют об установленных модулях, типы которых так же отображаются на экране прибора (рис.2).

Рис. 1а Вид передней панели М300

Рис. 1б Вид задней панели М300 с установленными модулями

 

Рис. 2 Отображение установленных модулей

Модуль цифрового мультиметра МС3065

Модуль цифрового мультиметра МС3065 (рис. 3) служит для измерения параметров тестируемых сигналов и имеет 6½-разрядное разрешение считывания. Входной аналоговый сигнал преобразуется с помощью встроенного АЦП, обрабатывается специализированным микроконтроллером и передаётся для последующего отображения на ЖКИ базового блока М300. Модуль позволяет измерять напряжение постоянного тока (до 300 В, с погрешностью от 0,0035%),напряжение переменного тока (до 300 В _СКЗ, с погрешностью от 0,06%), силу постоянного тока (до 1А, с погрешностью от 0,05%), силу переменного тока (до 1 А _СКЗ, с погрешностью от 0,15%), частоту(от 200 мВ до 300 В, до 1 МГц, с погрешностью от 0,02%), период (от 1 мкс до 333 мс, с погрешностью от 0,02%), температуру с помощью внешних терморезисторов, термисторов, термопар (от – 270 ºС до + 1768,1 ºС, с погрешностью от 0,08 ºС),а так же сигналы с любых других датчиков. В базовый блок М300 можно установить только один модуль цифрового мультиметра МС3065. Поставка модуля цифрового мультиметра МС3065 в базовой комплектации предусмотрена в версиях М301, М302.

Рис. 3 Внешний вид модуля МС3065

 

Внешние сигналы подаются на коммутационные модули MC3120, МС3132, МС3164, МС3324, МС3534, МС3416 через терминальные блоки, в которых установлены винтовые клеммы для подключения. Соединение терминальных блоков с коммутационными модулями производится через 78-контактный разъём, расположенный на торце сменных модулей (Рис. 5) затем модули устанавливаются в слоты базового блока системы M300.

Рис. 4 Подключение терминальных блоков сменных модулей к М300

 

Внешний вид одного из терминальных блоков показан на рис. 5

Рис. 5 Внешний вид терминального блока М3ТВ32

 

Модуль мультиплексора MC3120

Это 20-канальный мультиплексор и содержит 2 группы реле, с помощью которых можно сконфигурировать 2 типа подключения:

— при 2-х проводной схеме подключения: 2 группы объединяются в одну группу с помощью внутреннего реле (с 1 по 20 входной канал) и коммутируются все 20 каналов Source (HI и LO) в любой последовательности по списку. На модуль мультиметра МС3065 подается только сигнал Source (HI и LO) через внутреннюю шину базового блока M300;

— при 4-х проводной схеме подключения: 1-я группа содержит 10 каналов (с 1 по 10 входной канал) для коммутации каналов измерения Source (HI и LO), 2-я же группа содержит тоже 10 каналов (с 11 по 20 входной канал), но для коммутации каналов измерения Sense (HI и LO).Таким образом, на модуль мультиметра МС3065 подаются оба изолированных сигнала (Source и Sense) через внутреннюю шину M300.

Во всех модулях мультиплексоров используется функция «break-before-make» (разрыв перед замыканием). То есть, каждый канал перед подключением следующего, отключается, а затем включается следующий по списку. При этом, скорость переключения составляет до 200 каналов/сек.

Для подключения внешних источников сигнала к модулю мультиплексора MC3120 служит терминальный блок M3TB20 с винтовыми клеммами. Для измерений температуры с помощью внешних термопар терминальный блок M3TB20 содержит встроенный датчик температуры для компенсации «холодного спая».

Схематическое изображение МС3120 приведено на рис. 6

Рис. 6 Схематическое изображение модуляМС3120

 

 Модуль мультиплексора MC3132

Это 32-канальный мультиплексор. Аналогично предыдущему модулю МС3120, в модуле MC3132 происходит коммутация входов HI и LO по каждому из 32 каналов (при 2-х проводном подключении), что обеспечивает полностью изолированные входы для модуля цифрового мультиметраМС3065. Модуль MC3132 также, разделен на две группы по 16 каналов при 2-х проводной схеме в каждой группе (всего 32 канала при объединении групп), либо 16 каналов по 4-х проводной схеме подключения. Терминальный блок для модуля MC3132– М3ТВ32, который содержит встроенный датчик температуры для компенсации «холодного спая» и терминальный блок М3ТВ32Т (без встроенного датчика температуры для компенсации «холодного спая») и служит для проведения 4-х проводных измерений температуры с помощью внешних термосопротивлений.

Схематическое изображение модуля МС3132 приведено на рис. 7.

Рис. 7 Схематическое изображение модуля МС3132

 

Модуль мультиплексора MC3164

Модуль 64-канального несимметричного мультиплексора MC3164 разделен на две группы по 32 несимметричных канала в каждой (только HI, все 64 канала имеют общую клемму LO), не может использоваться для измерений по четырехпроводной схеме не позволяет объединять группы. Для подключения внешних сигналов используется терминальный блок (M3TB64), который так же содержит встроенный датчик температуры для компенсации «холодного спая».

Схематическое изображение модуля MC3164 приведено на рис. 8.

Рис. 8 Схематическое изображение модуля МС3164

Модуль мультиплексораMC3324

В мультиплексоре смешанного типа MC3324 (рис.10)всего 20 каналов напряжения (с 01 по 20) разделены на две группы по 10 двухпроводных каналов (SourseHIи LO) в каждой и могут использоваться для измерений по двух- и четырехпроводной схеме (Sourceи Sense), а также 4 канала для измерения силы тока (с 21 по 24) используются для измерений силы постоянного и переменного тока. Модуль MC3324 используется с внешним терминальным блоком (M3TB24), имеющим встроенный датчик температуры для компенсации «холодного спая».

Рис. 9 Схематическое изображение модуля МС3324

Модуль коммутатора MC3416

В модуле коммутатора MC3416 (рис.10) содержится 16 независимых SPDT-переключателей (один полюс (COM), два направления (NC – нормально замкнутый, NO – нормально разомкнутый). Модуль не подключается к цифровому мультиметру. Основное назначение МС3416 – управление внешними устройствами.

Рис. 10 Схематическое изображение модуля МС3416

 

Многофункциональный модуль MC3534

Многофункциональный модуль MC3534(рис12) содержит в своём составе:

— 4канала (1 – 4) 8-разрядных цифрового входа/выхода (DIO), которые могут использоваться в качестве портов цифрового входа/выхода;

— 4канала (5 – 8) 32-разрядного суммирующего счетчика (TOT),в котором первые два канала (5 — 6) могут производить подсчёт импульсов на высокой скорости с частотой до 10 МГц (CMOS 3,3 В ,5 В), а два других(7 — 8) -до 100 кГцс чувствительностью от 1 В_{пик-пик} до 42 В _пик;

— 4канала (9 – 12) аналогового выхода (DAC), которые могут выдавать калиброванные напряжения в диапазоне от -12 В до +12 В с разрешением 1 мВ, с низким уровнем помех, с общей «землей» и с 16-разрядным вертикальным разрешением. Каждый канал (9 – 12) может использоваться в качестве программируемого источника напряжения для другого аналогового управляющего устройства.

Терминальным блоком для модуля МС3534 служит МС3ТВ34.

Рис. 11 Схематическое изображение модуля МС3534

 

Модуль матричного коммутатора MC3648

Модуль матричного коммутатора MC3648 с компоновкой 4×8 с 32 двухпроводными точками пересечения служит для подключения нескольких устройств к точкам на тестируемом устройстве. Можно соединить ряды и столбцы нескольких модулей (максимум до 5) матричных коммутаторов, чтобы получить матрицу большего размера (например, 8×8 или 4×16, максимальное количество точек пересечения – не более 160). Модуль не подключается к цифровому мультиметру, возможны одновременное замыкание нескольких каналов и одновременное соединение нескольких входов с несколькими выходами. Терминальный блок для модуля МС3648 – М3ТВ48. Схематическое изображение MC3648 приведено на рис.1.

Рис. 12 Схематическое изображение МС3648

 

Характеристики коммутационных модулей М300

Характеристики коммутационных модулей М300 сведены в таблицу № 1.

Конфигурация каналов системы M300

Независимая конфигурация каналов вM300 позволяет задать для каждого канала (до 320 единиц) свои параметры измерений, калибровки, сигнализации (оповещения). При конфигурации сканирования каналов можно создать новый список сканирования с присвоением ему наименования, редактировать этот список (добавить, удалить, изменить), считать сохранённый список, сохранить отредактированный список во внутренней или внешней памяти. После создания нового списка сканирования и настройки параметров (например, числа циклов и режима запуска) необходимо добавить каналы в список сканирования и настроить параметры измерения, масштабирования и сигналов оповещения, а также дополнительные параметры каналов. При конфигурировании измерения каналов пользователь выбирает номер канала, функцию измерения, производит настройку основных параметров измерения для выбранной функции. Функцией измерения могут быть DCV (напряжение постоянного тока), ACV (напряжение переменного тока), FREQ (частота), PERIOD (период), TEMP (температура) и SENSOR (датчик). При использовании модуля MC3324, к доступным функциям измерения добавляются DCI (сила постоянного тока), ACI (сила переменного тока). Второй шаг схемы конфигурирования каналов – настройка параметров масштабирования. В системе M300 предусмотрена функция масштабирования. Эта функция поддерживает три коэффициента масштабирования (A, B и C) для всех показаний по выбранному каналу. Формула функции масштабирования имеет следующий вид:

Масштабированное показание = A × (x — x1)²+ B × (x — x1) + C,

 

где x — измеренное значение, x1 — поправочное значение (может быть значением, измеренным в определенный момент времени, или значением, заданным пользователем). Вычитание значения x1 из всех показаний позволяет скорректировать нулевую точку сглаживающей кривой. По умолчанию коэффициенты масштабирования имеют следующие значения A=0, B=1, C=0, x1=0.Диапазон возможный значений коэффициентов масштабирования от -1х10^-15 до 1х10¹⁵. Пользователь может настроить функцию масштабирования для всех каналов мультиплексоров (за исключением каналов, использующих функцию SENSOR (датчик), а также при подключении внешнего цифрового мультиметра).

 

Настройка системы оповещения

Следующий шаг в алгоритме конфигурирования каналов – настройка параметров сигналов оповещения. Система M300 имеет 4 канала оповещения (Alarm1, Alarm2, Alarm3 и Alarm4). Пользователь может настроить канал оповещения и задать пороги для оповещений (высокий/низкий или оба одновременно) для канала в списке сканирования. При обнаружении значений, превышающих указанный порог во время сканирования, в установленном канале оповещения возникнет сигнал. При расширенной конфигурации, устанавливаются дополнительные параметры измерения, относящиеся к выбранной функции. Это может быть время интегрирования, входное сопротивление по постоянному току, задержка, автоматическая установка нуля.

Система М300 обеспечивает поддержку сбора данных и сканирования с максимальной скоростью 200 каналов/с.

Функция мониторинга каналов M300 позволяет осуществлять наблюдения за одним, несколькими или всеми каналами мультиплексоров, цифрового входа/выхода, суммирующего счётчика, указанными в списке сканирования.

В M300 предусмотрено 5 режимов запуска/синхронизации: автоматический, ручной, внешний, по абсолютному времени, по сигналу оповещения.

 

Управление системойM300

Встроенный интуитивно понятный интерфейс управления системы RIGOL М300, ЖК-дисплей цветного изображения, встроенная справочная система обеспечивают комфортное и эффективное взаимодействие с прибором.

В базовом блоке М300 предусмотрена возможность сохранения и вызова записанных данных (до 100000) и настроек в форматах *.sfg (системные), *.mfg (измерений), *.mir (совместные системные и измерений), *.dat и *.csv (измеренные данные) на внутренний носитель объёмом 256 МБ или внешний USB-диск. Математические операции с данными, проводимые М300 – вычисление среднего значения, СКО, максимума, минимума.

Для управления системой М300 и последующего анализа данных с помощью ПК, RIGOL предоставляет возможность загрузки бесплатного ПО UltraAcquire с корпоративного сайта. Дополнительные возможности (просмотр более 10000 точек, экспорт данных в формате *.csv, формирование отчётов измерения по всем каналам, статистическая обработка сигналов в определённой курсорами области) поддерживаются в расширенной версии ПО UltraAcquirePro (опционально).Максимальное количество одновременно управляемых систем M300 через ПОUltraAcquirePro: до 5.

Вид анализа данных в ПО Ultra Acquire Pro показан на рис. 13.

Рис. 13 Вид анализа данных в ПО Ultra Acquire Pro

Заключение

Подытоживая вышесказанное, можно констатировать, что многофункциональная система сбора данных RIGOLM300 предназначенная для обработки больших объемов информации в реальном времени оптимальным образом подходит для использования в производственных и учебных процессах, при проведении научных исследований, эксплуатации зданий. В настоящее время, рассмотренная система сбора данных является наилучшим выбором отечественного пользователя для решения перечисленных задач.

 

Источники информации

1. Материалы с сайта rigol.com
2. Материалы с сайта rigol-shop.ru.
3. RIGOL M300 Series Data Acquisition/Switch System Data Sheet DSM01100-2021-09
4. RIGOL M300 Series Data Acquisition/Switch System User Guide oct.2021