Виртуальный прибор "Измерительное оконечное оборудование" для измерительной системы на базе M-Bus

Оглавление
Введение
Техническое задание
Глава 1 Разработка виртуального прибора «Мастер»
1.1.Обзор платформы LabVIEW как среды для разработки виртуальных приборов
1.2.Обзор протокола M-Bus и систем на основе M-Bus
1.3.Постановка задачи проектирования
1.4.Блок-схема прибора
1.5.Выбор палитр и элементов для проектирования прибора
1.6.Описание лицевой панели прибора
1.7.Описание блок диаграммы
Вывод к главе 1
Глава 2 Обеспечить оптимальные параметры окружающей среды на рабочем месте пользователя
Список нормативных документов раздела БЖД
Глава 3 Экономический раздел
3.1.Введение
3.2.Описание продукта
3.3.Анализ рынка сбыта
3.4.Конкурентно-способность
3.5.План маркетинга
3.6.План производства
3.7.Организационный план
3.8.Расчет затрат и договорной цены
3.9.Обоснование экономической целесообразности
Вывод к главе 3
Список литературы

Виртуальный прибор "Измерительное оконечное оборудование" для измерительной системы на базе M-Bus

Значение двух низших битов в поле статус в заглавии сообщения
D1
DO
Значение
О
No Error
1
Application Busy
1
О
Any Application Error
1
1
reserved
Таблица
Структура записи данных
DRH 
DIВ
DIF (1 байт)
DIFE (0-10 байтов)
VIВ 
VIF (1 байт)
VIFE (0-10 байтов)
Данное (неопределенное число байтов)
Таблица
Значение кодов поля функции в рамках DIF
Код
Значения
моментальное значение
1
максимальное значение
10
минимальное значение
11
значение для времени состояния ошибки
Поле функции определяет разновидность данного, которое посылается в рамках записи, значения приведены в таблице (Таблица ). Data поле (Таблица ) определяет длину и способ кодирования, то есть способ, которым данное, полученное от slave, следует интерпретировать.
Когда DIF поле имеет 1FH или 0FH, что относится к группе специальных функций из таблицы (Таблица ), запись, начинаемая с них, состоит из данных, чье кодирование не подлежит правилам коммуникации M-Bus, а зависит от производителя. Данные из такой записи прослеживает непосредственно программе пользователя контроллера, без какой бы то ни было интерпретации, даже если было требование перевода принятых данных. Если значение DIF составляет 1FH, это означает, что slave располагает еще такими данными, которые последуют при следующем чтении данных, получаемых от slave. Бит 6 в поле DIF означает "storage number", то есть его низший бит. Другими словами, если устройство slave имеет значения одного данного из разных моментов времени, эти значения обозначаются порядковыми числами. Нулем обозначено моментальное значение данного, а повышение порядкового номера указывает на принадлежность значения данного к более раннему времени - к прошлому. Чем больше порядковый номер значе­ния данных (storage number), тем значение данного старше. Высший бит (7) поля DIF - бит расширения. Если он 1, то из-за поля DIF следует 1 или несколько полей DIFE (макс. 10). Поле DIFE включает следующие части:
биты 0 - 3 - следующие биты порядкового номера значения (storage number) данно­го (в DIF определен только низший бит этого номера);
биты 4 5-данные о тарифе;
бит 6 - низший бит данного о функциональной подсистеме устройства (subunit);
бит 7 - бит расширения - имеет то же значение, что и в поле DIF, то есть, если его значение 1, то последует по крайней мере еще одно поле DIFE, в противном случае это - последний байт DIB.
Большинство полей DIFE используется в случае, если необходимо передать несколько битов данных о порядковом номере значения (storage number), о тарифе или подсистеме.
Таблица
Коды Data поля в DIF и их значения
Data field код
Значение
Длина (в битах)
No data (нет данного)
1
8-битовое целое число
8
10
16- битовое целое число
16
11
24- битовое целое число
24
100
32- битовое целое число
32
101
32-битовый real
32/N
110
48- битовое целое число
48
111
64- битовое целое число
64
1000
Селекция для чтения
1001
2-цифровой1 BCD
8
1010
4-цифровой1 BCD
16
1011
6-цифровой BCD
24
1100
8-цифровой BCD
32
1101
вариативная длина
32/N
1110
12-цифровой BCD
48
1111
специальные функции
64
После DIB (Data Information Block) следует VIB (Value Information Block), начинающийся с поля VIF (Value Information Field). VIF имеет следующую структуру:
биты от 0 до 6 - данное единицы измерения и мультипликатора;
BnTt 7 - бит расширения - если 1 находится из-за поля VIF, следует одно или несколько, (max 10), полей VIFE.
В зависимости от значения VIF существует пять типов кодирования значения данных:
примарное VIF: от Е000 0000 до Е111 1011b - единица измерения и мультипликатор даны в таблице примарного VIF;
текстуальное данное VIF: E111 1100b - если VIF=7CH или 0FCH, то настоящий VIF дается в рамках ряда ASCII, который следует за длиной ряда, представленной в рам­ках первого байта из-за VIF;
линейное расширение VIF: FDH, FBH - в этом случае настоящий код VIF дается в рамках следующего байта, который определяет кодирование значения, согласно секундарной таблице VIF;
любой VIF: 7EH/FEH - этот код VIF можно использовать для селекции чтения в на­правлении master-slave;
специфический VIF: 7FH/FFH - в этом случае остаток записи (включая возможные VIFE) имеет специфическое значение, в зависимости от производителя и определяемое документацией производителя.
После VIF или VIFE с высшим битом 0 следует актуальное значение данного с длиной и кодом, определенных в рамках описанного заглавия записи.
Глава 2 Проектная часть
2.1. Постановка задачи проектирования
Задачей дипломного проекта является разработка средства визуализации протокола M-bus в части оконечного оборудования, средством разработки выбрана среда визуального программирования LabVIEW 8.2.
1) Разработанная система должна наглядно представить формирование пакета согласно всем требованиям протокола M-bus в части оконечного оборудования.
2) Необходимо чтобы пользователь мог ввести пользовательские данные, которые будут посланы на ведущее устройство.
3) Необходимо чтобы пользователь мог ввести коды сообщений, которые будут составной частью пакета.
4) Все поля сообщения, которые могут быть вычислены должны быть отображены и добавлены в пакет автоматически.
5) Виртуальный прибор должен генерировать последовательные импульсы в соответствии с протоколом M-bus описанный в разделе 1.2.
6) Импульсы должны быть наглядно представлены на графике и отображены на лицевой панели прибора
2.2. Блок-схема прибора
Проанализировав требования к системе, была создана функциональная блок-схема виртуального прибора. Это вспомогательное средство для анализа функций, которые будут реализованы. Блок-схема (Рис. 5) достаточно укрупнено отражает функции прибора и является первым приближением к реализации ВП.
2.3. Выбор палитр и элементов для проектирования прибора
Для реализации прибора выбраны следующие инструменты системы Labview:
1) Структура выбора (Case Structure) представлена на рисунке (Рис. 6).
Структура выбора (Case Structure) является методом выполнения текста, содержащего условие, то есть аналогом оператора импликации (if-then-else). Лишь одна из них выполняется в зависимости от логического, числового или строкового значения, которое вы подаете на терминал селектора структуры варианта. Селектор структуры Варианта, расположенный сверху графического изображения структуры (см. Рис. 6) включает в себя указатели: значения варианта выбора в центре и стрелки уменьшения или увеличения по сторонам. Эти стрелки используются для просмотра возможных вариантов выбора. Входное значение терминала селектора выбора (см. Рис. 6) определяет, какая поддиаграмма или будет выполняться. Для использования структуры выбора необходимо отметить вариант по умолчанию (default case). Вариант по умолчанию или поддиаграмма по умолчанию выполняется, если значение терминала выходит за пределы диапазонов или не существуют варианты для возможных значений терминала.
2) Цикл с фиксированным числом итераций (For Loop) пиктограмма изображена на рисунке (Error: Reference source not found) выполняет код внутри его границ (поддиаграмму) некоторое число итераций (count). Это число равно величине, введенной в терминал числа итераций (count terminal). Число отсчетов можно установить, подавая определенное значение извне цикла на терминал числа итераций. Если подключить к этому терминалу значение 0, цикл не будет выполняться. Терминал счетчика итераций (iteration terminal) содержит текущее число завершенных итераций цикла; 0 - во время первой итерации, 1 - во время второй и т.д. до N-1, где N -количество выполнений цикла, которое вы задали.
Цикл с фиксированным числом итераций эквивалентен следующему псевдокоду: for i =' 0 to N-1 Execute subdiagram
3) Цикл по условию (While Loop) (Рис. 7) выполняет код внутри его границ до тех пор, пока логическое значение (Boolean value), подключенное к терминалу условия выхода из цикла (conditional terminal) не перейдет в состояние ЛОЖЬ (False). LabVI liWj проверяет терминал условия выхода по окончании каждой итерации. Если значение соответствует ИСТИНА (True), то выполняется следующая итерация. По умолчанию терминал условия выхода находится в состоянии ЛОЖЬ. Если оставить его неподключенным, цикл выполняться не будет. Терминал счетчика итераций (iteration terminal) цикла по условию ведет себя точно так же, как и в случае с циклом с фиксированным числом итераций. Цикл по условию эквивалентен следующему псевдокоду:
Do
Execute subdiagram While
condition is TRUE
Можно изменить условия выхода из цикла. Для этого, необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши по терминалу условия и выбрать опцию остановить, если истина (Stop if True). Цикл по условию будет выглядеть, как показано на рисунке (Рис. 8). Здесь цикл эквивалентен следующему псевдокоду:
Do
Execute subdiagram
While condition is NOT TRUE
4) Функция объединение строк (Concatenate Strings) пиктограмма этой функции изображена на рисунке (Рис. 9). Она объединяет строки и одномерный массив строк в отдельную строку. Строки подлежащие объединению подаются на входы с выхода, а результат снимаем. Для увеличения полей ввода данных функции следует изменить ее размер.
5) Функция длина строки (String Length) - выдает количество символов в строке, включая пробел. Пиктограмма изображена на рисунке (Рис. 10).
Рис. 10. Пиктограмма функции длина строки
6) Функция число в шеснадцатиричный код (Number To Hexadecimal String) конвертирует число в шеснадцатиричную систему исчисления в строковом представлении. Пиктограмма изображена на рисунке (Рис. 11).
Рис. 11. Пиктограмма функции число в шестнадцатеричный код
7) Функция выделение подстроки (String Subset) - выдает подстроку, начиная со смещения (offset) и определенной длины (length), количества символов в строке. Смещение (offset) первого элемента в строке «О».
Рис. 12. Пиктограмма функции сложение
8) Функция сложение (Add) суммирует входы результат выдает на выходе. Пиктограмма изображена на рисунке (Рис. 13).
9) Функция деление (Divide) делит вход X на вход Y результат выдает на выходе. Пиктограмма изображена на рисунке (Рис. 14).
Рис. 14. Пиктограмма функции деление
10) Функция умножение (Multiply) умножает вход X на вход Y результат выдает на выходе. Пиктограмма изображена на рисунке (Рис. 15).
11) Функция конвертация значения (Scan Value). Пиктограмма функции на рисунке ниже (Рис. 16).
12) Функции логическое отрицание НЕ (Not) (Рис. 17) и логическое «И» (And) (Error: Reference source not found) их действие соответствует одноименным логическим функциям.
Рис. 21. Логическая схема И
2.4. Документация
Лицевая панель прибора показана на рисунке (Рис. 18). Реализованный ВП генерирует пакет ведущего прибора предназначенного ведомым устройствам согласно протоколу M-Bus. Подробно структура пакета и коды полей описаны в разделе 1.2. Он может генерировать длинный, управляющий и короткий пакет. Пакет формируется из введенных пользователем данных. В левой части лицевой панели расположены поля ввода данных. Поле «Старт» заполняется пользователем, в нем указывается либо код 10, если пользователь формирует короткий пакет либо код 68, если формируется длинное или управляющее сообщение. Поля L1 и L2 рассчитываются автоматически, также автоматически рассчитывается и поле контрольная сумма. Значение поля С также заполняется пользователем его значение описано в разделе в таблице (Таблица ). В поле А пользователь вводит адрес устройства в десятичном формате. Стоп поле автоматически добавляется к пакету системой. Перечисленные выше поля составляют транспортный уровень пакета. На уровне приложения формируется два поля поле CI и поле пользовательские данные эти поля также заполняются пользователем. Коды поля CI подробно описаны в таблице (Таблица ). Сформированный системой пакет отображается в соответствующем поле в правой части рисунка. Также в правой части изображается осциллограмма формируемого прибором аналогового сигнала.
Глава 3 Экономический раздел
3.1. Введение
В последние годы в вузовском образовании интенсивно развиваются дистанционные формы обучения. Основным препятствием использования дистанционной формы в подготовке инженерных и среднетехнических специальностей в технических вузах и техникумах является невозможность дистанционного проведения лабораторных практикумов на базе традиционных технологий обучения и морально устаревшего приборного парка. Успешное развитие технологии виртуальных измерительных приборов и современные средства телекоммуникации позволят эффективно осуществлять дистанционный учебный эксперимент практически из любой географической точки.
Создание автоматизированного дистанционного лабораторного центра с современным лабораторным и учебно-методическим обеспечением, связанного через информационные сети со многими учебными заведениями. Это позволяет выйти на качественно новый уровень инженерного и среднетехнического образования. Подобная централизация учебных лабораторий ВУЗов и техникумов республики также существенно снижает материальные затраты на модернизацию учебных заведений. Современная тенденция в сфере автоматизации измерительных процессов заключается в использовании виртуальных измерительных технологий (виртуальных приборов – ВП) взамен традиционных, зачастую малофункциональных приборов и систем.
3.2. Описание продукта
Структурная схема базового информационно-управляющего элемента на основе ВП представлена на Error: Reference source not found. БИУЭ реализуется с помощью устройств (одного или нескольких) ввода/вывода аналоговых и цифровых
сигналов, подключенных к персональному компьютеру, а функциональная часть (алгоритм работы, алгоритмы обработки измерительной информации и т.д.) и интерфейс пользователя (лицевая панель ВП) – программно.
Использование виртуальных измерительных технологий (ВИТ) позволяет повысить степень автоматизации и гибкость измерительной системы, а также организовать дистанционный доступ к измерительным ресурсам через телекоммуникационные сети.
На сегодняшний день существует достаточно большой спектр устройств ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов от различных фирм-производителей, таких как L-Card (Россия), National Instruments (США) и др. При разработке и построении БИУЭ на основе ВИТ выбор устройств ввода/вывода осуществляется с учетом следующих факторов:
функциональное назначение устройства (тип подключаемых источников сигналов; измерение аналоговых сигналов; генерация аналоговых сигналов; ввод/вывод дискретных сигналов и т.д.);
технические характеристики (количество измерительных каналов; максимальная частота дискретизации; разрядность АЦП и ЦАП и т.д.);
функциональные возможности (возможность одновременного ввода/вывода данных, возможность синхронизации измерительных процессов по сигналам внешних устройств и т.д.);
совместимость с существующими средами программирования;
фирма производитель (стоимость; сроки поставок; гарантия; техническая поддержка и т.д.).
При создании систем дистанционного управления (СДУ), как правило, решаются следующие основные задачи:
автоматизация измерений на локальном уровне;
математическая обработка измерительной информации;
создание гибкого пользовательского интерфейса;
организация передачи данных по телекоммуникационным сетям (запросов на измерения и результатов измерений);
организация работы с базами данных.
При использовании ВИТ функциональные возможности и гибкость СДУ будут в значительной степени зависеть от функциональности ПО и от рациональности совокупного решения указанных задач. Одной из сред программирования, позволяющих наиболее оптимально решать данные задачи вследствие своей ориентированности на их решение, является среда LabVIEW. В силу функциональных возможностей и надежности измерительного оборудования, а также его удобной совместимости с программной средой LabVIEW, предпочтение при выборе фирмы-производителя было отдано National Instruments.
3.3. Анализ рынка сбыта
Современная мировая вузовская практика имеет устойчивую и усиливающуюся тенденцию продвижения виртуальных технологий в учебном процессе. В частности, в процессе зарубежной научной стажировки автор наглядно убедился в том, что во французских университетских учебных и научных лабораториях широко применяются виртуальные измерительные средства виртуальных измерительных приборов. Такая же ситуация, но в гораздо больших масштабах, имеет место в американских учебных заведениях. В России пока виртуализация лабораторных работ не очень развита. Таким образом разрабатываемый в дипломном проекте прибор, являющийся частью автоматизированной лаборатории, имеет достаточной широкий рынок сбыта не ограничивающий просторами Российской Федерации.
3.4. Конкурентно-способность
Лабораторная (предметная) база ВУЗа достаточна консервативна в силу материальных и временных ограничений и поэтому практически не успевает отслеживать бурное развитие техники и неизбежно морально устаревает. А в изменяющихся рыночных условиях, в которых сетка специальностей и специализаций должна быстро и непрерывно адаптироваться к запросам промышленности, реальная материальная база ВУЗа не в состоянии поддерживать учебный процесс на должном уровне. Современные виртуальные информационные технологии позволяют существенно сократить этот разрыв и экономить значительные финансовые ресурсы, не снижая качества обучения. Суть этих технологий в учебном процессе состоит в замене сложных и дорогостоящих реальных образцов, устройств, явлений и т.п. их виртуальными эквивалентами, реализуемыми программными средствами. Исследование причинно-следственных связей, процессы измерения, анализ, моделирование и проектирование (синтез) устройств и систем студент осуществляет в соответствующей виртуальной среде, генерируемой интегрированным инструментальным пакетом.
3.5. План маркетинга
Первичная стратегическая область применения – это образовательные учреждения, а цель данного проекта – наглядно показать взаимодействие протоколов и устройств в рамках этих протоколов для успешного освоения учебного материала. В качестве маркетинговой политики по развитию и тиражированию можно предложить следующее:
размещение демо-версии модуля в открытом доступе на сайтах общеобразовательных учреждений.
распространять демо-версию продукта среди студентов технических ВУЗов
3.6. План производства
Для выполнения работ по проекту была сформирована команда из двух специалистов:
менеджер проекта – руководитель проекта по разработке модуля БД;
разработчик – дипломник.
Иерархия и взаимосвязь в команде представлены на рисунке 24.
Рис. 24. Структура рабочей группы
Основной обязанностью менеджера проекта является координация работ проектной группы, постановка задач, утверждение проектных документов, контроль сроков и качества выполнения проекта.
Программист выполняет значительную часть проекта в соответствии с поставленными менеджером задачами: анализ, проектирование, разработка и т.д., в случае необходимости руководствуясь консультациями специалиста.
3.7. Организационный план
Для рациональной организации работы по разработке ТАЛ составлен перечень событий и работ сетевого графика, отраженных в таблице (Таблица ) В ней все временные параметры указаны в рабочих днях. При установке временных параметров работ принимаем, что график работы стандартный, то есть 5 дней в неделю по 8 часов в день.
Таблица 21
Перечень работ сетевого графика
Код этапа
Название этапа
Время min
Время max
Время вероятное
Анализ
1
Предварительная постановка задачи
0,75
1,5
1
2
Изучение системы LabVIEW
4
6
5
3
Изучение системы протокола M-bus
4
6
5
4
Окончательная постановка задачи
0,75
1,5
1
Итого по этапу анализ
9,5
15
12
Программирование
5
Разработка блок-схемы прибора
0,75
1,5
1
6
Выбор палитр и элементов для разработки прибора
1
3
2
7
Реализация лицевой панели виртуального прибора
2
5
3
8
Реализация блок диаграммы виртуального прибора
4
6
5
9
Разработка документации
2
4
3
10
Первичная проверка и создание исполняемого файла
1
3
2
Итого по этапу программирование
10,75
22,5
16
Тестирование
11
Тест
2
4
3
12
Доработка программного кода
1
3
2
Итого по этапу тестирование
3
7
5
Прием проекта заказчиком
13
Обучение пользователей
1
3
2
14
Сдача проекта
0,75
1,5
1
Итого по этапу прием проекта
1,75
4,5
3