Здійснення контролю режимів та параметрів голографічного запису засобами Microsoft Office Excel з використанням СОМ-порту

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ І.І.МЕЧНИКОВА

Інститут інноваційної та післядипломної освіти

Кафедра комп’ютерних та інформаційних технологій

 

Напрям підготовки/спеціальність:

7.091501 «Комп’ютерні системи та мережі»

Освітньо-кваліфікаційний  рівень: спеціаліст

 

Дипломна робота

 

Здійснення контролю режимів та параметрів

голографічного  запису засобами Microsoft Office Excel

 з  використанням СОМ-порту

 

 

Студентки 3 курсу

заочної форми  навчання

Туркової Анни Сергїївни

 

Науковий керівник

зав. лабораторією проблем прикладної фізики

 та комп’ютерних  технологій НДІ фізики ОНУ

канд. фіз.-мат. наук

Попов А.Ю.

____________________________________

(підпис керівника)

 

Рецензент

канд. фіз.-мат. наук, доцент кафедри загальної

 та хімічної  фізики фізичного факультету  ОНУ

Гоцульський В.Я.

____________________________________

(підпис рецензента)

Захищено на засіданні ДЕК №____

 

протокол №__ від «__»_________р.

Оцінка _______________________

(за 4-х бальною шкалою)

Голова ДЕК_____ _______________

(підпис) (прізвище, ініціали)

 

 

Одеса 2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..3

І ГЛАВА………………………………………………………………………...…4

1. Обзор существующих систем сбора данных.

Обоснование выбора и формулировка поставленной задачи……………..4

1.1.1 Типы и  характеристики измеряемых сигналов………………....4

1.1.2 Персональный  компьютер. Шины и порты, 

используемые  для передачи данных………………………………..…8

1.2. Средства  решения задачи……………………………………………...14

1.2.1. Сом-порт: особенности, достоинства

 и применение……………………………………………………….…14

1.2.2 Использование Visual Basic for Applications

при работе с Microsoft Excel………………………………………….18

ПОСТАНОВКА  ЗАДАЧИ………………………………………………………31

ІІ ГЛАВА…………………………………………………………………………32

2.1 Практическое  приложение 

разработанного программного пакета………………………………….…32

2.1.1 Подключение  СОМ-порта………………………………………32

2.1.2 Управление СОМ-портом  из Excel……………………………..35

2.2. Установка «Запись объемных амплитудно-фазовых

голограмм на окрашенных щелочно-галоидных 

кристаллах». Структура и задачи…………………………………….……40

ВЫВОДЫ……………………………………………………………………...…46

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………….47

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее  время технологии сбора данных нашли  самое широкое применение: от научно-исследовательских  приложений до различных задач испытаний и автоматизации в промышленности. Для осуществления сбора данных ученые и инженеры используют персональные компьютеры (ПК) с шинами PCI, PXI, CompactPCI, PCMCIA, USB, FireWire, а также с последовательными и параллельными портами. Многие устройства сбора данных устанавливаются непосредственно в компьютер и передают данные напрямую в его память. В ряде задач используются удаленные устройства сбора данных, которые подключаются к ПК через сеть или через последовательный и параллельный порт. В настоящее время USB-интерфейс у персональных компьютеров (ноутбуков) является де-факто стандартным оснащением. Это позволяет при использовании драйверов, созданных разработчиком аппаратных мостов, и, не вникая в подробности протокола USB, использовать стандартные WIN32 API-функции независимо от способа подключения устройства к ПК.

В НИИ Физики лаборатории «Проблем прикладной физики и компьютерных технологий» для  управления установками создана линейка USB-устройств. Их программная поддержка осуществляется написанным в лаборатории специализированным программным обеспечением. Такой подход обеспечивает быстродействие и качество осуществления в решении поставленных задач, но требует больших затрат времени на написание и поддержку программного обеспечения. Гибкость и мобильность в создании программного управления, несомненно, могут обеспечить стандартизованные среды, например, табличный процессор Microsoft Office Excel (МЕ). В связи с этим была поставлена задача создания в среде МЕ программного пакета управления установкой «Записи объемных амплитудно-фазовых голограмм на окрашенных щелочно-галоидных кристаллах» осуществляющего управление и обмен данными по COM-порту.

 

І ГЛАВА

 

1.  Обзор существующих систем сбора данных. Обоснование выбора и формулировка поставленной задачи

 

В общем случае корректность получаемых результатов определяется компонентами компьютерной системы сбора данных (рис. 1):

• датчики;
• системы согласования сигналов;
• оборудование сбора данных;
• шина передачи данных;
• персональный компьютер;
• программное обеспечение.

 

Рис. 1 Типичная современная компьютерная система сбора данных.

 

 

1.1.1 Типы и характеристики измеряемых сигналов

 

Существует  два принципиально различных  типа сигналов, определяющих используемую аппаратную часть системы сбора  данных: аналоговые и цифровые сигналы. Необходимо сначала провести классификацию сигнала исходя из необходимости измерения тех или иных его параметров. Говоря о измерении сигналов, нельзя не вспомнить о теореме Котельникова.

Теорема Котельникова (в англоязычной литературе — теорема Найквиста — Шеннона или теорема отсчётов) гласит, что, если аналоговый сигнал имеет финитный (ограниченный по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты :

Такая трактовка рассматривает  идеальный случай, когда сигнал начался  бесконечно давно и никогда не закончится, а также не имеет во временной характеристике точек разрыва. Именно это подразумевает понятие «спектр, ограниченный частотой ».

Разумеется, реальные сигналы (например, звук на цифровом носителе) не обладают такими свойствами, так  как они конечны по времени  и обычно имеют разрывы во временной характеристике. Соответственно, их спектр бесконечен. В таком случае полное восстановление сигнала невозможно и из теоремы Котельникова вытекают два следствия:

• Любой аналоговый сигнал может быть восстановлен с какой угодно точностью по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой , где  — максимальная частота, которой ограничен спектр реального сигнала.
• Если максимальная частота в сигнале превышает половину частоты дискретизации, то способа восстановить сигнал из дискретного в аналоговый без искажений не существует.

Говоря шире, теорема  Котельникова утверждает, что непрерывный  сигнал можно представить в виде интерполяционного ряда

[1]

где  — функция sinc. Интервал дискретизации удовлетворяет ограничениям Мгновенные значения данного ряда есть дискретные отсчёты сигнала .

Впоследствии  было предложено большое число различных  способов аппроксимации сигналов с  ограниченным спектром, обобщающих теорему  отсчётов. Так, вместо кардинального  ряда по функциям sinc, являющимся характеристическими функциями прямоугольных импульсов, можно использовать ряды по конечно- или бесконечнократным свёрткам функций sinc. Например, справедливо следующее обобщение ряда Котельникова непрерывной функции с финитным спектром на основе преобразований Фурье атомарных функций [1]:

[1]

где параметры  удовлетворяют неравенству , а интервал дискретизации

[1]

Аналоговый  сигнал может иметь любой уровень  напряжения в зависимости от времени. Анализ аналогового сигнала сводится к измерению его временной формы, что дает информацию для последующего анализа других параметров сигнала, таких как частота сигнала, пиковые амплитудные значения, время нарастания/спада или среднее значение.

Следующие параметры  аналогового сигнала определяют параметры системы сбора данных: амплитуда сигнала, характерное время изменения сигнала (например, длительность импульса или скорость нарастания его фронта). Немаловажным фактором является полоса частот сигнала, гармонические искажения, соотношение сигнал/шум и т.д.

Так, например, при медленном изменении уровня аналогового сигнала во времени, как правило, необходимо измерение  его с высокой точностью по амплитуде. Для этого понадобится  устройство сбора данных с большим  разрешением по амплитуде, но небольшой  частотой дискретизации по времени.

Цифровые сигналы  имеют два возможных состояния  – логическая «1» (высокий уровень  напряжения, состояние «истина») и  логический «0» (низкий уровень напряжения, состояние «ложь»).

В современной  технике существует несколько стандартов цифровой логики, наиболее распространенные среди них:

• Стандарт транзисторно-транзисторной логики (TTL/CMOS): уровень напряжения в интервале 0 ÷ 0,8 В трактуется как логический «0», а уровень напряжения в интервале 2,4 ÷ 5 В - логическая «1».
• Стандарт ТТЛ с пониженным уровнем напряжения Low Voltage TTL (LVTTL/LVCMOS): 0 В - логический «0», а 3,3 В - логическая «1».
• Промышленный стандарт с повышенным уровнем напряжения: 0 ÷ ±4 В логический «0», ±4÷ ±30 В логическая «1» [2].

Можно измерить следующие параметры дискретного сигнала: состояние (уровень), скорость изменения состояний (длительность импульса, период). Например, измеряя частоту следования импульсов углового энкодера (датчика, преобразующего информацию о вращательном движении вала мотора в дискретный сигнал), можно определить частоту вращения вала, ускорение/замедление его вращения, угол поворота и направление вращения.

В основном в  промышленности цифровые сигналы используются для помехоустойчивой передачи данных, с чем и связан высокий уровень  логической "1" в 24 В.

 

 

 

 

1.1.2 Персональный компьютер. Шины и порты, используемые для передачи данных

 

Допустим, стоит  задача непрерывной оцифровки быстроизменяющегося  сигнала с частотой десять миллионов  точек в секунду с точностью  представления каждой точки в виде двух байтов. Легко подсчитать, что данные должны передаваться от системы сбора данных в компьютер со скоростью 20 Мбайт в секунду, следовательно, необходимо обеспечить необходимую пропускную способность интерфейса. Более того, если задача требует одновременной обработки результатов измерений в режиме реального времени, то дополнительные требования накладываются на производительность компьютера. Таким образом, существенное влияние на максимальную скорость потокового сбора данных оказывает быстродействие компьютера, который используется в системе сбора данных (ССД).

Поскольку компьютерные технологии развиваются крайне быстро, ССД в полном объеме получает преимущества от их использования, а именно –  возможности обработки сигналов и данных в реальном времени, расширенные функции графического отображения информации и высокие скорости сохранения потоков данных на дисковые накопители.

Шины PCI и PCI-Express (PCI-E) являются стандартными компонентами большинства современных ПК и обеспечивают возможность передачи данных со скоростью до 4 Гбайт/с. При этом необходимо отметить, что шина PCI использует метод параллельной передачи данных по 4 байта за такт, а PCI-E является последовательной шиной. На физическом уровне шина PCI-E образована двумя парами проводников: одна для передачи данных, вторая — для приема. Такое построение позволяет всем подключенным устройствам работать на полной скорости, в то время как в параллельной шине PCI пропускная способность распределялась между всеми подключенными устройствами. Слот PCI-E состоит из одного, двух, четырех, восьми или шестнадцати независимых каналов передачи данных. Одно последовательное соединение  PCI-E обеспечивает пропускную способность 256 Мбайт/с. Пропускная способность одинакова в обе стороны, поскольку шина является полнодуплексной, то есть может передавать данные "туда" и "обратно" одновременно, по разным каналам. Таким образом, с учетом полного дуплекса, пропускная способность одного последовательного подключения PCI-E составляет  512 Мбайт/с, а при использовании 16 независимых линий – до 4 Гбайт/с в одном направлении и до 8 Гбайт – в обоих.