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

Внешние широко распространенные шины и порты USB и FireWire (IEEE 1394), PCMCIA и ее замена CardBUS, являются основой для построения гибких ССД  со скоростью передачи данных до 80 Мбайт/с. Существуют так же и специализированные интерфейсы для взаимодействия с внешними приборами сбора данных, например, шина GPIB. Сравнительные характеристики шин и портов приведены в таблице [3]:

Тип шины/порта	Максимальная  пропускная способность,Мбит/с (частота МГц  х ширина шины в битах)
Serial port RS	232 0,115
Standard LPT port 0,92 (0,115х8)	GPIB IEEE 488.1/488.2 1/8
ECP/EPP LPT port 3	USB 1.1/2.0 12/480
Fireware IEEE 1394a/1394b 400/800	CF Type II / Type III 128/528
PCMCIA 264 (16х16)	CardBUS 1056 (33х32)
PCI 1056 (33х32)	PCI-E (x1/x16) 2048/32768
Standard LPT port 0,92 (0,115х8)	GPIB IEEE 488.1/488.2 1/8
ECP/EPP LPT port 3	USB 1.1/2.0 12/480
Fireware IEEE 1394a/1394b  400/800	CF Type II / Type III 128/528
PCMCIA 264 (16х16)	CardBUS 1056 (33х32)
PCI 1056 (33х32)	PCI-E (x1/x16) 2048/32768

Необходимо  так же отметить, что на скорость передачи данных существенно влияет архитектура шины/порта и способ передачи данных. Например, при почти  равной пропускной способности шины USB 2.0 и порта Fireware IEEE1394а, практическая скорость передачи потоковых данных последней существенно выше.

Таким образом, компьютерные системы сбора данных представляют серьезную альтернативу стационарным решениям. В приложениях  удаленного и распределенного сбора данных вы можете разместить измерительные узлы в непосредственной близости от датчиков и источников сигнала, а для передачи результатов измерений использовать  стандартные сетевые технологии Ethernet, последовательный порт или узлы беспроводной связи. При выборе устройства сбора данных (СД) и архитектуры системной шины следует учитывать режимы и скорости передачи данных, которые поддерживаются выбранным устройством и шиной. Быстродействие компьютера существенно влияет на производительность системы сбора данных в целом.

Последовательный  порт до сих пор является стандартной  периферией современных компьютеров (правда, на переносных компьютерах  он встречается все реже и реже). Данные передаются через порт последовательно, один за другим. Для осуществления двустороннего обмена данными используется дополнительная цифровая линия. В общем случае сюда необходимо добавить линии готовности приемника и источника, линию обнаружения несущей и т.д. В результате COM-порт компьютера представляет 9-пиновый разъем (ранее существовал 25-пиновый аналог).

В отличие от TTL стандарта уровень логической «1» в последовательном порту  составляет 12 Вольт, а «0» – -12 В. Большая разность уровней сигналов обеспечивает хорошую помехозащищенность, поэтому по последовательному интерфейсу данные могут передаваться на расстояния до 50 метров.

Возможны два  метода передачи данных: синхронный и  асинхронный. В первом случае данные передаются в соответствии с тактами  опорного сигнала, передающегося по отдельной цифровой линии. Этот метод реализуется при передаче данных между цифровыми устройствами: микроконтроллерами, цифровыми потенциометрами, микросхемами генераторов и т.д.

В персональном компьютере используется асинхронный  режим работы последовательного  порта, при котором обмена данными происходит на известной фиксированной частоте. Информация передается в виде байтовых посылок, каждая из которых содержит стартовый бит, указывающий на начало передачи данных, 8 бит данных, бита контроля четности и одного или полутора бит стоп-битов.

Бит четности используется для простейшего контроля за ошибками, он бывает трех видов:

• бит четности не используется (no parity);
• четный бит – имеет значение «1», если сумма бит посылки является четной (Even parity);
• нечетный бит – имеет значение «1», если сумма бит посылки является нечетной (Odd parity).

Скорость передачи данных измеряется в бодах. Отличие  от бит/с заключается в том, что  в этом случае учитываются все  служебные биты при передаче информации. Типичные значения скорости передачи данных составляют 1200, 2400, 9600, 14400, 19200, 28800, 33600, 52800, 105600 бод.

Трудно представить  современный компьютер без офисного пакета Microsoft Office и Excel, как его составляющей. Но далеко не все пользователи информированы о всех возможностях этого программного обеспечения.

Ценным качеством Excel является возможность писать код  на основе Visual Basic для приложений (VBA). VBA соединяет в себе все положительные черты самого простого языка программирования Visual Basic (VB) со всеми вычислительными возможностями Excel. VBA имеет полный доступ ко всем командам и структурам Excel. Этот код пишется с использованием отдельного от таблиц редактора. Управление электронной таблицей осуществляется посредством объектно-ориентированной модели кода и данных. С помощью этого кода входные данные будут мгновенно обрабатываться и отображаться в таблицах и диаграммах (графиках). Таблица становится интерфейсом кода, позволяя легко работать, изменять его и управлять расчётами.

VBA как и другой  язык программирования высокого  уровня (такик как C++, Delphi, VC++, VisualBasic, Java и встроенный в Excel язык VBA) обладает средствами работы к внешним устройствам (портам ввода/вывода, например, последовательные порты (COM) или параллельные порты (LPT)), используя стандартные WIN32 API-функций.

В настоящее  время USB-интерфейс у персональных компьютеров (ноутбуков) является де-факто стандартным оснащением. Во многих случаях USB-интерфейс является практически единственным проводным коммуникационным интерфейсом, позволяющим подключать к компьютеру различные внешние устройства - цифровые видеокамеры и фотоаппараты, принтеры и сканеры, внешние устройства хранения данных, измерительные приборы или установки. В состав установок могут входить, как измерительные, так и исполнительные устройства (разнообразные ключи для коммутации приборов, регулируемые источники напряжения и другие). Простая в использовании, шина USB практически вытеснила своих предшественников – LPT и COM. Большинство современных персональных компьютеров обязательно оснащается интерфейсом USB и может уже не иметь COM или LPT интерфейсов.

Использование же аппаратных мостов USB, например продукция  английской фирмы FTDI, позволяет продолжать эксплуатацию приборов и систем, разработанных  ранее и не имеющих возможности  подключения к современным компьютерам  по USB. 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 РС. С программной точки зрения программы осуществляют работу с виртуальным COM-портом. Такой подход при работе с внешними устройствами остается актуальным и сейчас.

В НИИ Физики лаборатории «Проблем прикладной физики и компьютерных технологий» для  управления установками создана  линия устройств на базе аппаратных мостов фирмы FTDI FT232A, FT232B и FT232RL (далее устройство).

Устройство  представляет собой два независимых аналого-цифровых преобразователя (АЦП) для измерения напряжений, два независимых цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП) для управляемого вывода напряжения и восьми независимых аналоговых (коммутирующих) ключей для коммутации исполнительных устройств и напряжений. Далее в таблице представлены характеристики прибора:

Канал	Диапазон аналоговых величин
АЦП	Измеряемые  прибором напряжения -5V ÷ 5V с градацией 4096 точек во всем диапазоне (шаг ~0,002 V)
ЦАП	Выдаваемые  прибором напряжения -12V ÷ 12V с градацией 4096 точек во всем диапазоне (шаг ~0,006 V)
Аналоговые  ключи	Коммутируются напряжение 0V ÷ 30V при токе нагрузки не более 50А

Устройства  функционируют в установках: «Спекл-интерферометрический микроскоп для исследования фазовой структуры биологических объектов», «Спекл-интерферометрическая установка для неразрушающего контроля». Программная поддержка устройст 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 специализированные среды, например, табличный процессор MS EXCEL.

В связи с этим была поставлена задача создания в среде MS EXCEL программного пакета управления установкой «Записи объемных амплитудно-фазовых голограмм на окрашенных щелочно-галоидных кристаллах» осуществляющего управление и обмен данными по COM-порту.

 

 

1.2. Средства решения задачи

 

После́довательный порт, англ. serial port (а также серийный порт или COM-порт, англ. communications port) — двунаправленный последовательный интерфейс.

Последовательным данный порт называется потому, что информация через него передаётся по одному биту, бит за битом (в отличие от параллельного порта). Хотя некоторые другие интерфейсы компьютера — такие как Ethernet, FireWire и USB — также используют последовательный способ обмена, название «последовательный порт» закрепилось за портом, имеющим стандарт RS-232C.

 

 

1.2.1. Сом-порт: особенности, достоинства и применение

 

Особенностью данного порта  по сравнению с другими "последовательными" технологиями является факт отсутствия каких-либо временных требований между 2 байтами. Временные требования есть только между битами одного байта (включая старт, стоп и четность), величина, обратная временной паузе между битами одного байта, называется baud rate - скорость передачи. Также в этой технологии отсутствует понятие "пакет".

Другие "последовательные" технологии, такие, как X.25, USB или Ethernet, имеют понятие "пакет", и накладывают жесткие временные требования между всеми битами одного пакета.

По этой причине в терминологии Cisco IOS данный порт назывался async - в отличие от синхронных serial, т.е. X.25. По этой же причине модуль Windows, реализующий PPP поверх данного порта, называется AsyncMac.sys (в стандарте PPP отдельно описана реализация PPP, использующего понятие "пакет", над последовательным портом, этого понятия не имеющим).

Некоторые протоколы связи с индустриальным оборудованием налагают жесткие временные требования между байтами последовательного порта. Такие протоколы крайне сложны в реализации в многозадачных ОС со слабой поддержкой реального времени, такой, как Windows, и потому зачастую требуют MS-DOS и устаревшего ПО почти 20-летней давности на управляющем компьютере.

Наиболее часто для последовательного порта персональных компьютеров используется стандарт RS-232C. Ранее последовательный порт использовался для подключения терминала, позже для модема или мыши. Сейчас он используется для соединения с источниками бесперебойного питания, для связи с аппаратными средствами разработки встраиваемых вычислительных систем, спутниковыми ресиверами, кассовыми аппаратами, а также с приборами систем безопасности объектов.

С помощью COM-порта можно  соединить два компьютера, используя так называемый «нуль-модемный кабель». Использовался со времен MS-DOS для перекачки файлов с одного компьютера на другой, в UNIX - для терминального доступа к другой машине, а в Windows (даже современной) - для отладчика уровня ядра.

Достоинством технологии является крайняя простота оборудования. Недостатком является низкая скорость, крупные размеры разъемов, а также зачастую высокие требования к времени отклика ОС и драйвера и высокое количество прерываний (одно на половину аппаратной очереди, т.е. 8 байт).

На материнских платах ведущих  производителей (например, Intel) или готовых системах (например, IBM, Hewlett-Packard, Fujitsu Siemens Computers) для последовательного порта принято следующее условное обозначение:

Наиболее часто используются стандартизированные в 1969 году D-образные разъёмы: 9-ти и 25-ти контактные, (DB-9 и DB-25 соответственно). Раньше использовались также DB-31 и круглые восьмиконтактные DIN-8. Максимальная скорость передачи, в обычном исполнении порта, составляет 115 200 бод.

Разъем имеет контакты:

DTR (Data Terminal Ready - готовность  к приёму данных) - выход на  компьютере, вход на модеме. Означает  готовность компьютера к работе  с модемом. Сброс этой линии  вызывает почти полную перезагрузку  модема в первоначальное состояние, в т.ч. бросание трубки (некоторые управляющие регистры выживают после такого сброса). В UNIX это происходит в случае, если все приложения закрыли файлы на драйвере последовательного порта. Мышь использует этот провод для получения питания.

DSR (Data Set Ready - готовность  к передаче данных) - вход на  компьютере, выход на модеме. Означает  готовность модема. Если эта линия  находится в нуле - то в ряде  ОС становится невозможно открыть  порт как файл.

RxD (Receive Data - приём данных) - вход на компьютере, выход на модеме. Поток данных, входящий в компьютер.

TxD (Transmit Data - передача данных) - выход  на компьютере, вход на модеме. Поток данных, исходящих из компьютера.

CTS (Clear to Send - готовность передачи) - вход на компьютере, выход на модеме. Компьютер обязан приостановить передачу данных, пока этот провод не будет выставлен в единицу. Используется в аппаратном протоколе управления потоком для предотвращения переполнения в модеме.