Strumentazione Automatica di Misura e Sistemi ATE

Strumentazione Automatica di Misura e Sistemi ATE
Hardware e Software
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Sommario
¾ Introduzione
¾ Classificazione della strumentazione di misura
¾ Generalità sull’hardware dei sistemi ATE
¾ Principali standard industriali correnti: IEEE488 (o
GPIB), VXI, PXI, IEEE1178, LXI
¾ Generalità sul software di controllo dei sistemi
ATE: principali ambienti di sviluppo e tecnologie
software disponibili
¾ Principali standard di riferimento per lo sviluppo
software per sistemi ATE: SCPI, VISA, IVI
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2
Introduzione
9 La misura di grandezze fisiche di varia natura
(pressione, temperatura, corrente elettrica, ecc.) è di
fondamentale importanza nell’attuale realtà industriale
e/o scientifica;
9 La misura può essere necessaria per i motivi più
disparati: controllo automatico di qualità di prodotti
nell’industria, verifica di ipotesi scientifiche, ecc.
9 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;
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3
Uno schema a blocchi della catena di misura
misura
Variabile trasdotta
(tensione o corrente)
Raccolta dati manuale
dispositivo di misura
Processo
(strumento stand alone o da sistema)
Trasduttore
Raccolta dati su PC dotato di
Variabile di processo
(pressione, temperatura, spostamento, ecc.)
• sistema DAQ o controller ATE +
software per
• datalogging,
• elaborazione,
• presentazione risultati,
• ecc.
La slide mostra la tipica catena di misura di una generica variabile di processo,
ossia di una grandezza fisica coinvolta in un qualche processo (industriale o di
altro tipo) che interessa monitorare, ad esempio per regolare un determinato
parametro di sistema (temperatura, pressione, ecc.).
Per rilevare (misurare...) il valore di una determinata variabile di processo è
necessario ricorrere a qualche fenomeno fisico che sia da essa influenzato
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strumentazione di misura
una prima classificazione sommaria
9 stand-alone
DMM palmari, strumentazione analogica
da banco, ecc.
in cabinet o benchtop (GPIB, RS232, …)
9 da sistema
Instrument on A Card (PXI, VXI, VME, …)
La strumentazione di misura oggi disponibile sul mercato può essere sommariamente divisa in
due grandi categorie: stand-alone e da sistema.
Uno strumento/apparecchio di misura è classificabile come stand-alone se esso è in grado di
assolvere alla sua funzione autonomamente, ossia senza bisogno di apparecchiature di supporto;
sono spesso dispositivi alimentati (o alimentabili) a batteria di peso e dimensioni ridotti, il che ne
consente anche la facile trasportabilità. In questa classe rientrano, ad esempio, i multimetri
palmari tanto diffusi nella realtà applicativa attuale.
Viceversa uno strumento sarà classificato come "da sistema" se esso prevede la possibilità di
essere integrato in un sistema più complesso nel quale possa agire in cooperazione con altri
strumenti/dispositivi di misura per l'assolvimento di una determinata procedura sotto la
supervisione di un controllore appositamente programmato.
Quest'ultima classe di strumenti può essere ulteriormente divisa in due sottoclassi: strumentazione
in cabinet (benchtop o da banco) e strumentazione su scheda (IAC, Instrument on A Card). I
primi sono quegli strumenti che dispongono di un proprio sistema di alimentazione autonomo, di
dispositivi di visualizzazione (display), di dispositivi di comando (ad esempio manopole e/o
tastierini di immissione dati e comandi), ecc. e possono essere usati anche come strumenti standalone, anche se le loro dimensioni e il loro peso non consentono di classificarli come strumenti
portatili. I secondi sono gli strumenti montati su schede a circuito stampato (PCB, Printed Circuit
Board) e che possono operare solo se integrati in un cabinet che fornisca loro alimentazione
elettrica e che li ponga in condizione di scambiare dati con un sistema centrale di supervisione.
Ovviamente questa classificazione vuole essere solo indicativa e non è da considerarsi rigida e
priva di deroghe; esistono infatti dispositivi che non trovano una collocazione chiara in una sola
delle suddette categorie. Ad esempio, molto frequentemente, gli strumenti da sistema di tipo
benchtop possono essere utilizzati anche come strumenti stand-alone proprio perché dispongono
di un pannello frontale attuabile a mano da un operatore.
Nelle prossime due diapositive vedremo pregi e difetti delle varie tipologie di strumenti.
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Strumentazione stand alone
(DMM palmari, strumentazione analogica da banco, ecc.)
pregi
9 economicità d'acquisto e d'esercizio;
9 semplicità d'uso;
9 dimensioni e peso ridotti ⇒ portatilità;
difetti
9 scarse (o nessuna) possibilità di connessione a unità
esterne per controllo remoto dell’operatività;
9 raccolta dati manuale ⇒ lentezza delle operazioni di
misura;
9 possibili errori di interpretazione delle letture;
La strumentazione stand alone ha dei pregi innegabili quali l'economicità d'acquisto, la semplicità
d'uso e la portatilità.
Tuttavia il rovescio della medaglia è quello di essere dispositivi quasi sempre sprovvisti di
qualsiasi opzione di connettività a unità di supervisione remota, il che costringe all'esecuzione di
misure manuali (carta e matita...) con tutte le conseguenze che ciò può comportare (lentezza delle
operazioni di misura ripetitive, possibili errori di interpretazione delle letture e/o di trascrizione
delle stesse).
Ovviamente negli ultimi anni l'evoluzione delle tecnologie elettroniche ha consentito di dotare
anche i dispositivi alimentati a batteria di interfacciamento con il mondo esterno; oggi il mercato
offre (anche a prezzi tutto sommato contenuti) strumenti palmari dotati di interfacciamento seriale
(tipo RS232 o infrarossi).
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Strumentazione da sistema
(GPIB, VXI, PXI, …)
pregi
9 programmabilità delle procedure di misura;
9 funzionamento in modo totalmente automatico;
9 raccolta dati centralizzabile su calcolatore (a fini di post-
elaborazione, archiviazione, reporting, ecc.).
difetti
9 costi iniziali piuttosto elevati;
9 necessità di sofisticati software di supporto;
9 complessità di manutenzione ed aggiornamento.
La strumentazione da sistema prevede la possibilità di integrazione in complessi sistemi di misura
e controllo automatici.
Strumenti di questo tipo sono dotati di un apposito interfacciamento con l'esterno e contengono
complessi stadi in logica programmata governati da microprocessori o microcontrollori in grado
di gestire tanto le funzionalità di interfaccia operatore (se disponibili...) quanto le funzionalità di
interfacciamento al bus per il funzionamento automatico.
La foto in alto a destra mostra un multimetro di tipo IAC (Instrument on A Card) destinato ad un
sistema PXI (PCI eXtension for Instrumentation), uno degli standard correnti per i sistemi ATE
(Automatic Test Equipment) che vedremo nel seguito.
Notate come lo strumento disponga frontalmente delle sole boccole di connessione dei puntali di
misura; non c'è traccia, invece, di alcun dispositivo di interfaccia operatore (niente manopole,
display, tastierini, ecc.), quindi questo è uno strumento specificamente studiato per il
funzionamento in automatico.
La foto in basso mostra invece un generatore di funzioni a sintesi digitale che dispone (sul retro)
di un apposito connettore per il controllo in remoto. Si noti che, a differenza del multimetro in
alto, questo apparecchio dispone di un display, di un tastierino e di una manopola che rendono
possibile l'uso in manuale da parte di un operatore umano; è questo un esempio di strumento in
cabinet.
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Generalità sui 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).
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8
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.
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9
I principali elementi costitutivi di un sistema ATE
Controller
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.
Strumento o Dispositivo
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).
L'elemento distintivo di un sistema ATE è senza alcun dubbio il bus di comunicazione ossia la
connessione fisica esistente tra gli strumenti/apparecchi che lo costituiscono e l'unità di
supervisione.
Quella a bus è di gran lunga l'architettura di connessione più ampiamente diffusa in ambito ATE;
essa prevede l'uso di un unico canale di comunicazione al quale si connettono tutte le periferiche
costituenti il sistema di misura. Tuttavia i vari standard ATE oggi disponibili implementano
questa architettura in vari modi, quasi sempre incompatibili tra loro; questo significa che uno
strumento dotato di un interfacciamento GPIB (General Purpose Interface Bus) non potrà essere
integrato in un sistema PXI e viceversa (a meno che non si disponga di un qualche dispositivo
"bridge", in grado di eseguire una conversione bidirezionale di protocollo tra i due standard).
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Le principali architetture dei sistemi ATE (1/4)
Controller
bus di comunicazione
strumento 1
strumento 2
strumento N
intra-instrument (GPIB, HP-IL, …)
I sistemi ATE con bus di tipo intra-instrument sono quelli destinati all'integrazione di strumenti
da sistema di tipo benchtop.
La slide mostra la connessione secondo la topologia in linea di un oscilloscopio, un generatore di
funzioni e un multimetro in un sistema GPIB. Notate che il controller è costituito da un comune
personal computer desktop dotato di un apposito dispositivo di interfacciamento al bus GPIB; si
tratta, in particolare, di un convertitore di protocollo PCI-GPIB.
Lo sviluppo di un apposito software di controllo consente di implementare qualsiasi tipo di
procedura automatica di misura (a patto di avere tutti gli strumenti/apparecchi necessari e che
ciascuno di essi sia interfacciato al bus ATE).
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Le principali architetture dei sistemi ATE (2/4)
Controller
strumento 1
Strumento 2
Strumento N
controller to instrument (RS232, USB, …)
La topologia controller to instrument è molto diffusa nell'ambito dei sistemi ATE di fascia mediobassa in quanto consente di realizzare sistemi automatici con investimenti relativamente
contenuti; una delle interfacce più ampiamente utilizzata è la RS232 (la comune porta seriale dei
personal computer).
Il rovescio della medaglia è rappresentato dalla necessità di disporre sul controller di una porta
dedicata per ogni singolo strumento connesso (connessione tipo punto a punto o peer to peer);
questo può limitare in modo consistente l'espandibilità del sistema.
Si noti che un comune personal computer è normalmente dotato al massimo di due porte seriali
RS232; con una spesa relativamente bassa si può però aumentare il numero di porte seriali
disponibili. Sono commercialmente disponibili espansioni fino a 16 porte seriali.
Connessioni seriali di più recente introduzione come la USB (Universal Serial Bus) sono
senz'altro interessanti nell'ambito dei sistemi ATE di questo tipo perché la connessione, pur
essendo ancora di tipo peer-to-peer (una porta per ogni dispositivo), consente una semplice e
rapida espansione del numero di porte; purtroppo questo tipo di connessione è ancora di
diffusione piuttosto limitata in ambito ATE.
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Le principali architetture dei sistemi ATE (3/4)
intra-board/intra-cabinet (VME, VXI, PXI, …)
I bus di tipo intra-board/intra-cabinet sono quelli destinati all'integrazione di strumenti su scheda
(IAC) e sono generalmente costituiti da uno chassis dotato all'interno di appositi stadi di
alimentazione e raffreddamento centralizzati oltre che di un PCB (backplane) destinato a
realizzare le connessioni elettriche tra i vari moduli (strumenti) inseriti.
Lo chassis risponde sempre a precise e rigide normative standard in quanto a dimensioni, potenza
elettrica erogabile, capacità di smaltimento di calore, schermatura EMI, ecc; altrettanto rigide
sono, ovviamente, le specifiche inerenti il funzionamento del bus di comunicazione.
La foto mostra in particolare uno chassis VXI (VMEbus eXtension for Instruments, a sinistra) e
uno chassis PXI (PCI eXtension for Instruments), due standard ATE di fascia alta; notate in
particolare l'organizzazione a slot che rende il sistema del tutto modulare ed espandibile.
Ambedue gli standard prevedono uno slot riservato al controller di sistema, un vero e proprio
computer su scheda; per il sistema VXI è lo slot più a destra, mentre per il sistema PXI è quello
più a sinistra.
Ambedue gli chassis della slide sono privi di un controller integrato; la funzione di controller è
affidata ad un comune PC remoto; lo chassis VXI è controllato mediante una porta GPIB (il primo
modulo a sinistra), mentre lo chassis PXI è controllato mediante una porta MXI-3 (una
connessione seriale ad alta velocità).
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Le principali architetture dei sistemi ATE (4/4)
Controller
LAN
WAN
strumento 1
strumento 2
strumento N
Architettura distribuita su rete LAN/WAN (LXI)
La topologia controller to instrument è molto diffusa nell'ambito dei sistemi ATE di fascia mediobassa in quanto consente di realizzare sistemi automatici con investimenti relativamente
contenuti; una delle interfacce più ampiamente utilizzata è la RS232 (la comune porta seriale dei
personal computer).
Il rovescio della medaglia è rappresentato dalla necessità di disporre sul controller di una porta
dedicata per ogni singolo strumento connesso (connessione tipo punto a punto o peer to peer);
questo può limitare in modo consistente l'espandibilità del sistema.
Si noti che un comune personal computer è normalmente dotato al massimo di due porte seriali
RS232; con una spesa relativamente bassa si può però aumentare il numero di porte seriali
disponibili. Sono commercialmente disponibili espansioni fino a 16 porte seriali.
Connessioni seriali di più recente introduzione come la USB (Universal Serial Bus) sono
senz'altro interessanti nell'ambito dei sistemi ATE di questo tipo perché la connessione, pur
essendo ancora di tipo peer-to-peer (una porta per ogni dispositivo), consente una semplice e
rapida espansione del numero di porte; purtroppo questo tipo di connessione è ancora di
diffusione piuttosto limitata in ambito ATE.
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Standard industriali correnti per
l’hardware dei Sistemi ATE
9 IEEE488 (GPIB)
9 VXI
9 PXI
9 IEEE1178, IEEE1394, IEEE802.3
9 LXI
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Introduzione
9 I primi sistemi di test e misura automatici sono stati introdotti nei
lontani anni '60.
9 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.
9 Il primo standard ATE ad apparire sul mercato è stato il GPIB
(General Purpose Interface Bus), inizialmente proposto da HewlettPackard (1965) e successivamente standardizzato (1975) dallo
IEEE. Oggi è noto con il nome di ANSI/IEEE488 (USA) o IEC 625
(CE).
Già nei lontani anni '60 la maggior parte degli strumenti di fascia alta disponeva (di serie o in
opzione) di una connessione hardware e di un apposito firmware (gestore del protocollo di
comunicazione, interprete di un proprio set di istruzioni,
istruzioni ecc.) che ne permettevano l'integrazione
in un sistema di misura automatico con possibilità di controllo remoto.
La presenza di decine di dispositivi forniti dalle diverse case costruttrici creava serie difficoltà
agli amministratori di sistemi ATE in quanto risultava difficilissimo (se non impossibile) rendere
interoperanti dispositivi dotati di interfacce di controllo proprietarie.
Su proposta iniziale della Hewlett-Packard (1965) e dopo un lungo processo di standardizzazione
intrapreso dallo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) a partire dal 1972 si è
ottenuto uno standard internazionale per il controllo remoto di dispositivi e strumenti di misura;
esso è noto come HPHP-IB,
IB GPIB,
GPIB ANSI/IEEE 488 (USA) o IEC 625 (CE).
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cronistoria dello standard GPIB
1965: La Hewlett-Packard introduce il sistema HPHP-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 488.1
(specifiche elettriche e meccaniche)
1987: Revisione IEEE 488.2488.2-1987 (trattamento unificato di stato ed eventi)
1990: Introduzione dello SCPI per la strumentazione programmabile
1992: Estensione IEEE 488.2488.2-1992 (definizione del formato dei dati)
1993: Presentazione del protocollo HS488 (NI e CEC)
La storia dello standard GPIB, a tutt'oggi lo standard più longevo in ambito ATE, inizia nel 1965
grazie alla proposta di un bus proprietario avanzata dall'allora HP (Hewlett-Packard, oggi Agilent
Technologies).
A fare la fortuna di questo standard è stata la sua intrinseca robustezza e la sicurezza garantita
nello scambio dati tra gli elementi costituenti del sistema; praticamente tutti gli strumenti
benchtop da sistema oggi in vendita prevedono la connettività GPIB di serie o in opzione con
moduli aggiuntivi.
Lo IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers, l'Istituto nord-americano che emana la
maggior parte dei documenti normativi in ambito elettrico ed elettronico) inizia il lungo iter di
standardizzazione del bus GPIB nel 1972; lo standard, universalmente noto anche come IEEE488
dal nome del documento ufficiale dello IEEE, giunge a piena maturità solo nel 1992 con
l'emanazione della revisione 488.2-'92, ma è ancora oggi oggetto di migliorie e aggiustamenti di
vario tipo.
Il tentativo di modificare la tipologia di handshake utilizzato per la sincronizzazione tra
trasmettitore e ricevitore/i (da interlacciato ad asincrono) proposta nel 1993 da alcune aziende non
è ancora stato recepito dallo IEEE in quanto non garantisce la piena compatibilità tra gli strumenti
più vecchi e quelli più nuovi.
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caratteristiche essenziali del bus GPIB
9 Bus di tipo intraintra-instrument,
instrument parallelo a 8 bit con 5 linee di gestione
generale dell'interfaccia e 3 di sincronismo (handshake);
9 architettura tipo partyparty-line (linee omonime di tutti gli apparecchi
connesse in parallelo);
9 handshake interlacciato per garantire la corretta ricezione dei dati
anche da parte dei dispositivi più lenti;
9 14 dispositivi max contemporaneamente attivi sullo stesso segmento di
bus (lunghezza max 20 m);
9 1 MByte/s di transfer rate massimo (8 MByte/s con handshake HS488);
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18
Il connettore
lato femmina per la connessione in
partenza verso altri strumenti
lato maschio per la connessione in
arrivo allo strumento
Ecco una foto ed uno schema dettagliato del connettore previsto dallo standard GPIB
(Microribbon 57).
Si noti la particolare struttura meccanica a "doppia faccia" che consente la sovrapponibilità di due
o più connettori per la realizzazione di connessioni in linea o a stella (vedi seguito).
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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)
La foto mostra un generatore di funzioni Agilent 33120A dotato di serie (sul retro, particolare a
sinistra) del connettore che ne rende possibile l'integrazione in un sistema ATE GPIB; notate nella
stessa foto la presenza di una connessione RS232.
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Esempi di controller GPIB (1/3)
(convertitori di protocollo)
plug-in per bus PCI
E’ questa la soluzione ideale per la connessione di un sistema ATE GPIB ad un
PC desktop dotato di uno slot PCI (Peripheral Component Interconnect) libero.
In particolare il dispositivo di figura (National Instruments PCI-GPIB+) integra
anche potenti funzioni di analisi della funzionalità del bus GPIB.
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Esempi di controller GPIB (2/3)
(convertitori di protocollo)
per bus USB
Questo tipo di apparecchio consente di accedere ad un sistema ATE GPIB da un
comune PC portatile (ma anche da un PC desktop) dotato di una porta USB
(Universal Serial Bus).
Per i PC portatili esistono anche convertitori di protocollo per bus PCMCIA.
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Esempi di controller GPIB (3/3)
(convertitori di protocollo)
per rete Ethernet
Questo tipo di apparecchio consente di connettere una catena di strumenti GPIB
ad una comune LAN Ethernet aziendale a 10/100 Mbit/s e basata su protocollo
TCP/IP.
Esso deve essere preventivamente configurato con un proprio indirizzo IP (un
numero intero a 32 bit) che lo individui univocamente sulla rete.
Se la LAN dispone di un gateway verso la rete Internet è possibile controllare gli
strumenti GPIB anche a chilometri di distanza.
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I perché della revisione IEEE 488.2
9 Lo Standard IEEE 488.1 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.
9 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.
9 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.
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24
Quello che la revisione IEEE488.2
IEEE488.2 definisce…
definisce…
9 I formati di dati da utilizzarsi per lo scambio di informazioni
tra i vari dispositivi
9 le proprietà di comunicazione fra controller e dispositivo
(comandi e interrogazioni)
9 classifica tutti i diversi eventi che possono verificarsi durante
il funzionamento di un dispositivo e definisce una struttura a
registri programmabile per la segnalazione di questi ultimi al
controller
… e quello che non definisce
9 la semantica dei comandi
9 un set di istruzioni univoco da utilizzarsi per le diverse
tipologie di strumenti
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Standard VXI (VMEbus eXtension for Instruments)
(intra-board/intra-cabinet)
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26
9 Consente l’uso di moduli di diverse case costruttrici senza
problemi di conflittualità meccaniche o elettriche.
9 Consente trasferimenti dati a 8, 16 e 32 bit ma con transfer
rate massimo limitato a circa 80 MByte/s;
9 Non si basa sulla tecnologia dei Personal Computer quindi non
può trarre vantaggio dai suoi progressi;
9 E' in assoluto la piattaforma ATE più costosa sul mercato; fino
a pochi anni fa era anche la più performante;
9 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;
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27
Standard PXI (PCI eXtension for Instruments)
nstruments)
(intra-board/intra-cabinet)
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28
9 Consente l'uso di moduli di produttori diversi
9 Si basa sullo standard CompactPCI (PCI = Peripheral Component
Interconnect) molto diffuso in ambito industriale;
9 Usa il meglio della tecnologia dei Personal Computer (hardware e
software) man mano che si rende disponibile (Open Standard);
9 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);
9 Le sue rigide specifiche meccaniche ed EMC ne fanno un ottimo
candidato per applicazioni industriali e di test e misura di fascia
alta;
9 E' relativamente poco costosa (costi intermedi ai sistemi basati su
PC ed a quelli basati su piattaforma VXI);
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Standard IEEE1174
(controller to instrument)
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30
9 Basato sulla specifica RS232,
RS232 da decenni standard sui PC ma da
qualche tempo in declino nel mercato consumer;
9 insieme con le sue varianti RS422 e RS485 è una delle
l’interfacce seriali riconosciute a livello internazionale ed è
presente in molti strumenti e dispositivi usati in ambito
industriale (soprattutto su quelli portatili);
9 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;
9 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
9 La recentissima standardizzazione dello IEEE ha permesso di
armonizzarne
definitivamente
l’uso
nell'ambito
della
strumentazione programmabile;
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architettura distribuita su rete LAN/WAN
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Altri bus di recente standardizzazione per i sistemi ATE
9 USB (Universal Serial Bus) che raggiunge
velocità di picco dell’ordine di 400 Mbit/s
(USB 2.0) con la possibilità di connettere
fino a 127 dispositivi;
9 IEEE1394 (FireWire
(FireWire)) che
consente velocità di picco di
oltre 3 Gbit/s (su fibra
ottica);
9 Ethernet (o IEEE802.3
IEEE802.3)) che oggi consente velocità di picco di
1 Gbit/s (ma sono previste estensioni a 10 Gbit/s); molto
spesso è disponibile in opzione solo su strumenti di fascia alta;
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33
Il software di controllo dei
sistemi ATE
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L'hardware di misura non è tutto!
9 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,
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.
9 un sistema ATE privo di un simile supporto software sarebbe del tutto
inoperativo o potrebbe essere utilizzato solo in modo manuale (solo
strumenti benchtop…)
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35
9 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:
• il driver di basso livello per il sistema operativo in uso;
• la libreria API (Application
(Application Programming Interface) ;
• dei moduli di interfacciamento verso uno o più ambienti di
sviluppo supportati;
• Una o più utility;
utility
9 L'interazione di un eventuale operatore umano con l'hardware di
misura è garantito da un'apposita interfaccia utente grafica
interattiva (strumento
strumento virtuale)
virtuale
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il driver
consente di realizzare l’interfacciamento tra il
controller ed il sistema operativo del calcolatore
al quale quest'ultimo è connesso.
la libreria API
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.
i moduli di
interfacciamento
agli ambienti di
sviluppo
sono dei moduli software dati spesso in forma
sorgente che consentono l'accesso alle varie
funzioni della libreria API dai vari ambienti
supportati.
utility
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.
No comment
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No comment
38
Lo sviluppo e la manutenzione del software di supervisione e controllo
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++®, Borland Delphi®,
ecc.) e delle nuove tecnologie software (COM,
COM, DCOM, ActiveX,
ActiveX,
.NET)
.NET
No comment
39
Quale ambiente di sviluppo per il
software di supervisione
dei Sistemi ATE?
LabVI
EW
TestPoint
VEE
La selezione dell'ambiente di
sviluppo del software di
supervisione: primo e più
importante problema da risolvere
M AT L AB
Math
CAD
breve panoramica e confronto tra le principali
alternative oggi disponibili
No comment
40
Le possibili alternative:
9 Ambienti specifici per il controllo di
strumentazione numerica e hardware DAQ
9 Ambienti specifici per l'elaborazione di
dati scientifici
9 Ambienti di tipo "RAD“ generici
9 Soluzioni "ibride"
No comment
41
Ambienti specifici per il controllo di strumentazione
numerica e dispositivi DAQ
(LabVIEW®, CVI®, HP VEE®, TestPoint®, ecc.)
Pregi:
LabVI
EW
TestPoint
VEE
M AT L AB
Math
CAD
9 Grande flessibilità nell'interfacciamento alla
strumentazione di misura ed ai dispositivi DAQ;
9 Flessibilità nella creazione dell'interfaccia
utente;
9 Programmazione semplice e veloce per algoritmi
di bassa/media complessità.
Difetti:
9 Non dispongono di funzionalità avanzate per
l'elaborazione di dati numerici;
9 Difficile implementazione di algoritmi complessi;
9 Elaborazione lenta per grandi moli di dati e/o per
algoritmi computazionalmente impegnativi.
No comment
42
Esempio: un programma (strumento virtuale)
sviluppato in LabVIEW®
No comment
43
Ambienti di tipo "RAD" (Rapid Application Development)
(MS Visual Basic®/C++, Borland Delphi® e simili)
Pregi:
LabVI
EW
TestPoint
VEE
M AT L AB
Math
CAD
9 Creazione dell'interfaccia utente in modo
semplice e veloce;
9 Programmazione avanzata di tipo eventevent-driven;
driven
9 Interfacciabilità (relativamente) semplice alla
strumentazione di misura;
9 Disponibilità di tecnologie avanzate come MS
COM/DCOM,
COM/DCOM, ActiveX e .NET per la rapida ed
efficace integrazione di componenti software di
terze parti anche molto sofisticati;
Difetti:
9 Mancanza o scarsità di avanzate funzionalità di
elaborazione numerica;
9 Sono richieste conoscenze di programmazione
anche piuttosto avanzate;
No comment
44
Modalità di lavoro in un tipico ambiente RAD:
Borland Delphi® (Inprise Corp.)
No comment
45
Ambienti specifici per l'elaborazione di dati scientifici
(MATLAB®, Mathematica®, ecc.)
LabVI
EW
TestPoint
VEE
M AT L AB
Math
CAD
Pregi:
9 Programmazione semplice;
9 Dispongono di librerie complete per la soluzione di
ogni tipo di problema scientifico;
Difetti:
9 Scarsa interattività nella creazione
dell'interfaccia utente;
9 Accesso difficoltoso ai dispositivi DAQ o alla
strumentazione di misura con controllo
centralizzato da PC.
No comment
46
Soluzioni "ibride"
(più ambienti specializzati tra loro cooperanti)
LabVI
EW
TestPoint
VEE
M AT L AB
Math
CAD
Pregi:
9 (quasi) tutti quelli dei singoli ambienti
utilizzati.
Difetti:
9 Programmazione complessa (sono spesso
necessarie conoscenze avanzate);
9 Costi iniziali elevati (richiedono più pacchetti
software);
9 Possibili problemi nel “dialogo” tra i vari ambienti;
9 Scarsa efficienza computazionale.
No comment
47
una soluzione “fatta in casa”
Due toolbox che aggiungono a MATLAB avanzate funzionalità
di accesso alla strumentazione GPIB e DAQ: GPIB4Matlab e
NIDAQ4Matlab
Pregi:
9 Struttura semplice ed efficiente;
9 Dialogo immediato e interattivo con la strumentazione di misura;
9 Operano correttamente con qualsiasi versione a 32 bit di
9
9
9
9
MATLAB;
Report chiaro e completo dello stato delle operazioni di I/O;
Non richiedono particolari conoscenze di programmazione;
Estendibilità delle funzionalità correntemente implementate;
Convertibilità in un progetto Open Source.
Difetti:
9 Documentazione attualmente disponibile solo in linea;
9 Attualmente è supportato solo HW DAQ e controller GPIB di
produzione National Instruments.
No comment
48
GPIB4Matlab:
schema a blocchi
No comment
49
Esempio: un programma di controllo di un oscilloscopio digitale
sviluppato in MATLAB® grazie a GPIB4Matlab
No comment
50
Standard software per i sistemi ATE
SCPI: Standard Commands for Programmable
Instruments
VISA: Virtual Instruments Software
Architecture
IVI:
Interchangeable Virtual Instruments
No comment
51
SCPI
i perché di un set di istruzioni standard
Dalla prima comparsa della strumentazione 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) 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.
No comment
52
Il modello di un generico strumento/dispositivo di misura elaborato
elaborato
dallo SCPI Consortium UK
Funzione di misura
Signal
Routing
INPut
SENSe
CALCulate
FORMat
TRIGer
MEMory
DISPlay
SOURce
CALCulate
FORMat
data bus
Signal
Routing
OUTput
Funzione di generazione di segnali
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53
I pregi dello SCPI
9 Introduce e standardizza le regole per la composizione dei comandi della
strumentazione programmabile;
9 E' un’estensione dello standard IEEE488.2, quindi è con esso pienamente
compatibile;
9 E’ indipendente dal particolare standard hardware ⇒ può essere adottato
anche su strumentazione programmabile non GPIB;
9 Riduce nettamente 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…);
9 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, 0.001
invece dei vari: ACVOLT 20, 0.001, oppure VOLTAC 20, 0.001, oppure FUNCTION
ACVOLT 20, ecc.
No comment
54
VISA
(Virtual Instrument Software Architecture)
9 Uno standard aperto per il controllo di strumentazione automatica
indipendente dal bus di sistema (GPIB, Seriale, VXI, PXI, USB, …)
9 E’ una libreria API (Application Programming Interface) di formato
standard (nomi delle funzioni con ordine, tipo e significato degli argomenti
fissi e non modificabili)
9 Supportato da VXIPlug&Play System Alliance (un’associazione di
produttori di hardware di misura come NI, LeCroy, Agilent, ecc.);
9 Semplifica notevolmente lo sviluppo del software di controllo ma non
consente di raggiungere la totale intercambiabilità dell’hardware.
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55
Un esempio d’uso di VISA
accesso ad uno strumento seriale in LabVIEW
No comment
56
IVI
(Interchangeable Virtual Instruments)
9 Uno standard aperto per il controllo di strumentazione automatica
indipendentemente dal set di istruzioni dello strumento;
9 Supportato da IVI Foundation, un consorzio costituito dai maggiori
produttori mondiali di strumentazione programmabile;
9 Come VISA è una libreria API di formato standard (nomi delle funzioni
con ordine, tipo e significato degli argomenti fissi e non modificabili);
9 Si propone come estensione e completamento di VISA ⇒ richiede
l’installazione di una libreria VISA standard;
9 Richiede l’installazione di driver IVI specifici per ogni strumento (IVI
instrument driver);
9 Consente un “controllo fine” dello stato degli strumenti riducendo al
minimo il traffico dati sul bus;
9 Consente di raggiungere la totale intercambiabilità dell’hardware di
misura.
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57
Conclusioni
9 La strumentazione di misura programmabile riveste un ruolo di
primo piano in moltissimi settori, dalla ricerca di base e applicata
all’automazione industriale;
9 Esistono numerosi standard internazionali sia per l’hardware che
per il software di controllo dei sistemi ATE;
9 Gli standard hardware (IEEE488, VXI, PXI, ecc.) consentono di
realizzare sistemi ATE integrando strumenti di diversi produttori;
9 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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