Transcript SIST_INTEL_ ACHIZ - Universitatea"Petru Maior"

SISTEME INTELIGENTE DE
ACHIZIŢII ŞI TRANSMISII
DE DATE
Ágoston Katalin
Universitatea “Petru Maior” Tg.Mures
Ce Este Un Sistem De Achiziţii De
Date (DAQ)?
Sistem flexibil, definit de utilizator
Ce implică?
* colectarea semnalelor de la surse
* digitalizarea lor pentru stocare, analiză şi prezentare pe PC
* sisteme de comunicare între diferite echipamente şi PC
-PCI, PXI, CompactPCI, PCMCIA, USB, IEEE1394,
port paralel şi serial
1.
2.
3.
4.
5.
Traductoare
Semnale
Condiţionarea semnalelor
DAQ hardware
Drivere şi programul
Senzori şi traductoare
* Restricţii privind transformarea fenomenului în semnal măsurabil:
-surse de tensiune sau de curent
-componente adiţionale
* Tipul senzorului: - activ
- pasiv
Semnale
Semnale diferite  Măsurare diferită  Caracteristici, Parametrii
Semnale analogice:- nivel, valoare (intensitatea luminii, valoarea
temperaturii, presiunea dintr-un rezervor)  precizia
- formă (analiza: valoare de vârf, componenta continuă)
bătăile inimii, răspunsul sistemului, vibraţii, semnale video
- frecvenţă – nu se măsoară direct –
Transformata Fourier
Teorema de eşantionare a lui Nyquist
Teorema lui Nyquist – Teorema de Eşantionare
Pentru a reconstrui semnalul, acesta trebuie eşantionat cel puţin cu o frecvenţă
dublă decât frecvenţa semnalului, fe  2fs .
Altfel vom obţine un semnal fals cu frecvenţă mai mică din banda de frecvenţă,
sau chiar pierdem informaţii despre semnal.
5MHz
1MHz
FTJ – filtru trece jos – limitarea spectrului sub frecvenţa de eşantionare
- Antialiasing filter -
Semnale digitale: - stare (nivel logic) : închis-deschis; “1”-”0”
tensiunea corespunzătoare nivelului
- rată (viteza de variaţie - frecvenţa)
Condiţionarea semnalelor
Necesitatea condiţionării:
- semnale periculoase pentru DAQ
- tensiune înaltă
- semnal zgomotos (mediu zgomotos)
- semnale cu nivel foarte mic sau foarte mare
- măsurarea simultană a mai multor semnale
Condiţionarea: - măreşte precizia sistemului de măsurare
- măreşte siguranţa în funcţionare
- funcţionare corectă a senzorilor (protecţie)
ALEGEREA CORECTĂ A CIRCUITELOR DE CONDIŢIONARE
Condiţionarea implică
• Amplificare
• Atenuare
• Izolare
• Structură cu punte de măsură
• Eşantionare simultană
• Surse de alimentare
• Multiplexare
• Liniarizare
Structuri hardware
pentru
condiţionarea
semnalelor
Condiţionarea implică
•Amplificatoare de instrumentaţie
U0
R4  2 R2 

A
  1 
Ui
R3 
R1 
Condiţionarea implică
Condiţionarea senzorilor activi cu tensiune, senzori rezistivi
Măsurarea:
•temperaturii,
•forţei,
•deplasări liniare,
•nivele
Condiţionarea implică
•Amplificatoare de sarcină
senzori piezoelectrici
Detectarea vibraţiilor
U 0  
q
Cf
Condiţionarea implică
Senzor de vibraţie pe 3 axe
Condiţionarea implică
• Amplificatoare de izolaţie
AD202
• de uz general
• consum de putere mic (75mW),
• precizie mare (0,025%),
• CMR=130dB,
• bandă largă de frecvenţă,
• izolare până la 2kV.
• amplificatoare de instrumentaţie de înaltă tensiune,
• în sistemele de achiziţie de date multicanale,
• în comanda motoarelor şi izolarea unor semnale de proces.
Condiţionarea implică
ADuM1100
•Combină tehnologia CMOS cu cea monolitică
•transformator fără miez
• rata de transfer a datelor 25Mbps şi 100Mbps
•alimentare între 3V şi 5,5V, consum de curent mic 0,9mA
•izolarea digitală Fieldbus,
•înlocuirea izolatoarelor cu cuplaj optic,
•realizarea interfeţelor periferice,
•în instrumentaţie şi achiziţii de date.
Condiţionarea implică
ISO120
•transmiterea semnalului util prin modularea în durată a impulsurilor
•barieră capacitivă diferenţială de 2pF
•neliniaritatea maximă de 0,01%
•banda de frecvenţă până la 60kHz
•alimentare poate varia între 4,5V şi 18V
Condiţionarea implică
• Liniarizare
Liniarizarea sursei de semnal:
1. Alegerea punctului de funcţionare
2. Conectarea unui element de circuit în serie sau în paralel
3. Utilizarea unor circuite cu caracteristică neliniară complementară
Liniarizarea blocului de condiţionare:
1. Utilizarea unor senzori cu variaţie complementară în puntea Wheatstone
2. Utilizarea unei punţi active (cu AO)
3. Folosirea unor circuite multiplicatoare analogice
Liniarizare prin soft: pentru semnale deja convertite în valoare numerică
1. Utilizarea unui fişier sub formă de tabel
2. Se caută forma analitică a curbei (dreptei) care aproximează cât mai
mult valorile măsurate (metoda celor mai mici pătrate)
Circuite de condiţionare
SCXI
•Este un sistem de condiţionare şi comutare a semnalelor folosit în
măsurări şi achiziţii de date.
•Constă dintr-un şasiu ecranat şi module de condiţionare de semnal ca:
- amplificare
- filtrare
- izolare
- multiplexarea semnalelor analogice de la senzori
•Caracteristici:
• Arhitectură modulară
• Extindere continuă - 3072 canale
• Formă integrată într-o singură carcasă
• Bandă largă de frecvenţă
• Conectivitate
SCC şi
5B
DAQ (SAD) Hardware
Interfaţă între PC – Mediu
Digitalizează semnalele analogice pentru a putea fi interpretate,
prelucrate de PC.
Include:
•Intrări/Ieşiri analogice
•Intrări/Ieşiri digitale
•Numărătoare/Timere
•Funcţii multiple
Tipuri
PCI DAQ  în PC
Module PXI pt. automatizări
Platforme I/O modulare
USB  portabile
Plăci de achiziţii de date - PCI
Schema generală bloc pentru plăci de achiziţii din seria M (PCI6221)
•AI şi AO flexibile
•Diferite moduri de trigerare
•Memorii independente pentru AI, AO, DI şi DO
•Generarea semnalelor de temporizare interne şi externe
•2 numărătoare de 32bit flexibile
•Generarea şi achiziţia semnalelor digitale
•Compatibilitate cu circuite externe de condiţionarea semnalelor
Schema bloc a circuitului de intrare analogică
Module - PXI
PXI = PCI eXtentions for Instrumentation - 1997
• arhitectură bazată şi comandată de PC
• standard industrial PCI de viteză mare şi arhitectură modulară
• şasiu cu robusteţe mecanică
• include temporizări, sincronizări pentru compatibilitatea dintre module
• viteză max. 132MB/s
• max. 17 module / şasiu
• diferite tipuri, configuraţii
- uz general
- controller integrat pentru control la distanţă
- cu module integrate pentru condiţionarea semnalelor (SCXI)
- module integrate pentru legare la PC sau Laptop
- interfeţe pentru GPIB, USB, Ethernet, Lan
Module - PXI
Structuri pentru SAD
Cerinţe la proiectare, alegere:
•Rezoluţia conversiei A-D
•Precizia (eroarea max)
•Viteza de achiziţie (frecvenţa semnalelor)
•Imunitatea la perturbaţii - condiţionare
Determinarea configuraţiei:
•Alegerea maselor: comune sau separate pentru senzori şi instrument
•Amplificator programabil: comun sau pe fiecare canal
•Modul de achiziţie a semnalelor: succesiv sau în acelaşi moment
Structură SAD cu masă comună
Structură SAD cu masă separată
Diagrama de timp pentru comanda circuitelor
din SAD cu S/H şi CAD comun
Structură SAD pentru achiziţii simultane
Diagrama de timp pentru comanda circuitelor
din SAD cu S/H pe fiecare canal şi CAD comun
Drivere şi software
PC + DAQ + SOFT

Sistem de achiziţii, analiză, prelucrare şi afişare de date
National Instruments oferă softurile:
•LabView – programare grafică
•LabWindows/CVI – programare în C
•Measurement Studio – pentru Visual Basic, C++, şi .NET
SignalExpress - soft bazat pe configuraţie, nu necesită programare
- măsurări interactive
VI Loger – instrument flexibil pentru funcţii speciale
Suport de comunicare
Magistrala – legătura dintre componente şi CPU + memorie
* lăţimea – date transferate în acelaşi moment
* viteza de transfer – tactul magistralei
* tehnologia - metoda de transfer al datei
PCI, ISA şi IEEE1394 permit transfer prin - DMA
- întrerupere
PCMCIA şi USB permit transfer numai prin întrerupere.
Sistemul DAQ  transferul datelor  tipul semnalului
Magistrale folosite de NI
Caracteristici sistemelor DAQ
Analog IN
•Nr de canale: - unipolar (single-ended)
- bipolar (differential)
(Aplication Note-025)
- pseudodifferential
•Tipul CAD: - aproximări succesive
- paralel
- paralel-serie
- delta-sigma
- integrare
• Rezoluţie: precizia CAD + linearitate + eroare de offset + eroare de amplificare +
timp de setare
q  domeniu/ 2n
•Rata de eşantionare (Aplication Note-045)
•Tensiunea de intrare (domeniul tensiunii de intrare)
•Modul de cuplare: DC sau AC
Analog IN
•Dimensiunea memoriei FIFO:
•Metode de transfer a datelor: - DMA
(Aplication Note-011)
- întrerupere
- I/O programate
•Caracteristici de transfer: - precizie relativă (er. nelin. + cuantizare  LSB)
- neliniaritatea [%] (FSR=Full Scale Range)
- eroare de ofset y=m(x+b1)+b2
pregain of. er.
postgain of. er.
calibrare
- eroare de amplificare (câştig)  compensare
•Caracteristici amplificatoarelor:
•Caracteristici dinamice: - banda de frecvenţă
- frecvenţa de tăiere a FTS la cuplare AC
- timp de setare (timp de creştere a semn.  eroare) (AN-045)
- zgomotul sistemului
- interferenţe
-
Analog IN
•Filtre:
•tipul - RC cu un pol  rejecţia zgomotelor
- FIR  antialiasing
•frecvenţa de tăiere
•valori programabile
•frecv. maxim a tactului
•întârzierea semnalului
•amplitudinea oscilaţiilor
•Caracteristici circuitelor de eşantionare-memorare (Sample/Hold)
•Stabilitate: - domeniul de temperatură
- modificarea câştigului cu temperatură
- în timp
ppm/ 1000hour
Analog OUT
Digital IN-OUT
•Numărul de canale: IN şi/sau OUT
•Compatibilitate: TTL şi/sau CMOS
•Starea iniţială a canalului: la cuplare (“1”, “0”, ca intrare)
•Nivelul logic digital: -valoarea tensiunii şi curentului pt. “1”, “0”
-intrare şi ieşire
•Ieşiri Darlington: curent de ieşire mai mare / sursă de curent
•Impedanţa de intrare: R, C, mare  distribuţie multiplă a semnalului
•Izolaţia: dif. de tens. maximă între canale şi masă
•Transient CMR: viteza maximă V/ms
•Rata de transfer: depinde de PC şi soft, tipul datei [bytes/s], [words/s ] (viteză)
•Timp de propagare: module de condiţionare – placa de conexiune
•Handshaking: - cum se face comunicarea, legătura
- linii dedicate (2 linii)
- linii I/O
•Metode de transfer a datelor: - DMA
- întrerupere
- I/O prin program
Ieşiri pentru relee digitale
•Nr releelor comandate
•Tipul
•Tensiunea şi curentul care pot fi cuplate/decuplate
•Durata de viaţă
Numărătoare / Timere
•Tipul şi nr. numărătoarelor
•Nivelele logice pt. tensiune şi curent
•Rezoluţia: nr. evenimentelor
evenimente 2rezolutie
•Frecvenţa maximă şi minimă
Modul de trigerare
Analog •Sursa, nivelul, panta (+ sau -)
•Rezoluţie: nr. de biţi pt. nivelul tensiunii
•Banda de frecvenţă
Digital •Compatibilitate
•Timp de răspuns
•Lăţimea impulsului
Tipuri de excitaţii (sursă de alimentare)
•Tipul punţii: sfert, jumătate, completă
•Rezistenţele pt. completarea punţii
•Valoarea tensiunii (valoarea curentului)
•Drift
•Joncţiunea de referinţă (rece): tensiunea generată [mV/°C]
•Precizie
•Repetabilitate
DSP procesor
Aparate bazate pe P
Proprietăţi:
•Selectarea automată a gamei
•Prelucrare numerică a datelor
-liniarizare
-comparare
-calc.val. medii, vârf, efect.
•Autoetalonare
•Compensarea infl. mediului
•Autotestare
•Posibilitatea legării într-un sistem
•Transmiterea la distanţă a datelor
Funcţiile P, C:
1.
2.
3.
4.
Prelucrare şi comandă
Corecţie a erorilor
Crearea blocurilor virtuale
Testarea blocurilor defecte
1. Prelucrare şi comandă
Atenuator
Amplificator
cu
câştig
reglabil
Filtre, CAD, Multiplexoare
2. Corecţia erorilor
k  1  U1  E0 A
k  2  U 2  U r  E0 A
k  3  U 3  U x  E0 A
U 3  U1 U x  E0 A U x


U 2  U1 U x  E0 A U r
3. Crearea blocurilor virtuale
Funcţii analogice realizate prin soft.
Pot fi: - filtre
- convertoare de valoare medie, vârf, efectivă
- determinarea spectrului semnalului
- liniarizare
- interpolare
4. Testare: - la cuplarea aparatului
- la intervale definite
- la începutul fiecărei măsurători
Aplicarea stimulilor şi stabilirea corectitudinii semnalelor de ieşire
Schema bloc generală
Punte RLC 4262
Voltmetru FLUKE 8500A
Voltmetru HP3455A
Metode de transfer a datelor
Transmiterea analogică:
•prin buclă de curent
•linie bifilară pentru fiecare traductor  ASI (Actuator Sensor Interface)
Transmitere digitală:
•între dispozitive numerice
•circuite de condiţionare pentru conversie numerică
•utilizarea economică a liniei de transfer a datelor
Caracteristici electrice a transmisiei analogice
Transmisia unui semnal în curent
-nu apar căderi de tensiune  1km
-generatorul de curent are impedanţă mare
-tensiunile parazite nu afectează bucla de curent
-convertor tensiune-curent
ib  I b0  g  vs
Standarde:
2-10mA
4-20mA
Caracteristici transmisiilor digitale
Transmisii paralele:
Transmisii seriale:
Linii de date
•un octet este transmis simultan
•viteză mare
•protecţie la perturbaţii
•distanţă mică
•biţii transmişi succesiv pe o linie
•viteză redusă
•protecţie uşoară la perturbaţii şi zgomote
•distanţă mai mare
Linii de control

Direcţia de transmisie: •Simplex
•Duplex
HANDSHAKE
1. Emiţător  date disponibile
2. Receptor  gata pt. primire
3. Transferul datelor
4. Receptor  terminare
Modul de legare a instalaţiilor: serie, stea, tip internet
Suportul fizic: conductoare, fibre optice, fără fir
Interfeţe şi protocoale
Emiţător  Receptor
Interfaţă: terminal inclus într-un conector cu funcţii speciale
RS232, RS485, RS422, USB
Protocol: set de reguli şi de valori respectate şi “înţelese”
SCI (UART), SPI, HDLC, Ethernet
Instrumentaţie: GPIB (IEEE488), HART
Coduri pentru transmiterea datelor
Interfaţa GPIB (General Purpose Interface Bus)
1965 Hewlet-Packard
conectarea instrumentelor programabile
Lucrează cu semnale TTL în logică negativă
Permite conectarea a 15 aparate (adresă proprie) pe o lungime max. de 20m
Capacitatea de transfer a informaţiei max. 1Mbyte/s, depinde de viteza aparat.
Semnale şi linii GPIB
24 linii = 16 linii de semnal + 8 linii de masă
¤ Magistrala de date
¤ Magistrala de control al transferului
¤ Magistrala de control al interfeţei
•Magistrala de date: -8 linii bidirecţionale DIO1-DIO8
-rezultatele măsurătorilor, stările aparatului, instrucţiuni
de programare, date de tipărit, afişat
•Magistrala de control al transferului: handshake
NRFD (not ready for data)- activ când disp. sunt gata pt. primirea octetului
de pe MD. Comandat de ascultător – comenzi
vorbitor – validează protocolul
NDAC (not data accepted)- activ când disp. au recepţionat octetul
Comandat de toate aparate – comenzi
ascultători – mesaje
DAV (data valid)- activ când sursa a pus pe MD octetul transmis
Comandat de controller – comenzi
vorbitor – date, rezultate măsurătorilor
•Magistrala de control al interfeţei: administrează fluxul de date
ATN (attention)- emis de coordonator (controller)
ATN=L  mesaje de interfaţă (desemnarea vorb., asc., validarea interogării)
ATN=H  rezultate, date citite
IFC (interface clear)- emis de coordonator pt. a iniţializa bus, aparatele
REN (remote enable)- emis de coordonator pt. a plasa aparatul adresat prin
MD în mod local sau la distanţă
SRQ (service request)- cerere de întrerupere de orice dispozitiv
EOI (end or identify)- vorbitor – sfârşitul mesajului
coordonator – pt. a primi de la ap. răspuns la o
interogare paralelă de identificare
Dezvoltarea standardului GPIB
IEEE 488.1 - simplifică interconectarea aparatelor dif. producători
- specificaţii mecanice, electrice şi protocoale hardware
- cablu standard
- nu oferă formate pt. adrese, rapoarte de stare, configurare
IEEE 488.2 - elimină deficienţele (format, erori, protocoale)  software
- compatibil, sigur, eficient şi fiabil
SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments)
- defineşte comenzi specifice dispozitivului care standardizează
programarea instrumentelor
- mai uşor de programat şi de întreţinut
HS 488 - protocol handshake pt. GPIB
- creşte viteza de transfer a datelor
- toate instrumentele trebuie să fie compatibile
Interfaţa HART
HART  High Adressable Remote Transducer  traductoare inteligente
Comunicaţie bidirecţională simultan şi analogic şi digital
- valoarea măsurată – analogic 4-20mA
- comenzi – digital FSK (Frequency Shift Keying)
“1”  1200Hz
“0”  2200Hz
Bucla HART
Buclă analogică de curent
Se completează cu:
Modem
Amplificator receptor
Sursă de tensiune
cuplat la: -bucla de curent
-rezistenţă
Sursă de curent
Separarea semnalului analog şi semnalului HART (digital)
0-10Hz
400-800Hz
•Transmite senzorul (process transmitter):
-cuplează sursa de curent (purtător de frecvenţă mare 1mA p-p)
-R  variaţii de tensiune  amplificator recept.  demodulator
•Transmite coordonatorul (HART Controller):
-cuplează sursa de tensiune pe bucla de curent (500 mV p-p)
-sesizează amplif. rec.  demodulator
Structura unei instrucţiuni HART
Sincronizare
Eroare
Nivelul semnalului

Mesaj de eroare
Diagrama bloc al traductorului cu HART
Network Interface – regulator de curent (două surse de curent)
EPROM – memorarea parametrilor HART
UART – data serială  data paralelă (microcontroller)
HART – se adaugă la circuitul analog de transmitere
Reţea HART
FI - Field Instrument – traductor cu HART – electric legate în paralel
Protocolul HART
Un dispozitiv HART comunică (transmite) - ceilalţi ascultă (recepţionează)
Master – trimite o comandă şi aşteaptă răspuns (1-2/ reţea)
Slave – aşteaptă o comandă şi răspunde (15/reţea)
Adresa - 4biţi (15 adrese distincte pt. FI - EPROM)
- comanda conţine adresa FI
- FI cu adresa specificată răspunde
Viteză redusă 1200bps ,
Consum 2mW
ASI = Actuator Sensor Interface
ASI este un cablaj elastic “inteligent” pentru automatizări care înlocuieşte cabl
paralel tradiţional.
Un cablaj flexibil, uşor de instalat, de întreţinut, de configurat, compatibil cu CA
PROFIBUS, Interbus, RS-485 şi RS-232.
AS-International – 1991 - 100 firme
- 600 produse
Tehnologia AS-i  standard IEC 62026-2
Cablu GALBEN
BUS pt. interfeţe digitale seriale – dispozitive cu comandă numerică
Dispozitive de comandă, controllere, PLC  senzori, relee, butoane, valve
Transmite Semnale de control, configurare, comandă şi Alimentare
Traductoare Inteligente
Legarea Traductoarelor
Proprietăţi
•Pot fi adresate 62 de senzori, actuatori
•Durata unui ciclu 5ms
•Poate detecta erori periferice – scurt circuit, absenţa tensiunii auxiliare,
suprasarcină şi localizează defectul
•Cablu neecranat de lungime max. 100m, 8A
•Conexiune, legare, demontare simplă  plasare în orice poziţie
•Erorile de transmisie se elimină prin repetiţie
•Nu se folosesc module I/O
•Cablaj redus
•Compatibil cu produsele diferitelor firme
•Instalare şi pornire rapidă, uşoară
CAN Bus (Controller Area Network)
•Magistrală diferenţială pe 2 fire cu comunicaţie serială, asincronă
 automobilelor
•Conectarea sistemelor în timp real realizate cu microcontrolere
-controlul motoarelor
-transmisie automată
-reglarea frânării, antiderapajelor
-preluarea şi procesarea datelor de la senzori
- acţionarea electromecanismelor
•Avantaje: - configuraţie flexibilă
- nr. neprecizat de noduri  acţionare simultană
- debit de biţi mare (1Mb)
- modul de sleep/wake-up pt. reducerea puterii consumate
- mecanisme suplimentare de detectare a erorii
•Două standarde de funcţionare: * viteză mică (20 noduri, 125kb/s)
* viteză mare (30 noduri, 1Mb/s, 40m)
Transferul mesajelor
Module trebuie să aibă cel puţin o viteză de 20kb/s
Lungimea cablului depinde de viteză (max. 1km)
Se utilizează 4 tipuri de cadre: - cadru de date (Data Frame - DF)
- cadru de comandă la distanţă (Remote Frame - RF)
- cadru de eroare (Error Frame - EF)
- cadru de supraîncărcare (Overload Frame - OF)
Codul folosit: NRZ
Structura cadrului de date (DF)
SOF (Start of Frame) – bit de start
AF (Arbitration Field) – câmp de arbitrare, 12biţi, conţine identificatori de priorit.
CF (Control Field) – codul lungimii datelor
DF (Data Field) – date transmise, 0-8 octeţi (0-64 biţi)
CRC (Cyclic Redundancy Checks) - X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + 1
ACK (Acknoledgment Error Checks) – emis de receptor – confirmarea datelor
EOF (End of Frame) – bit de stop
Nivele de tensiune la transmiterea datelor
FIELDBUS
Reţea de comunicaţie digitală folosită în industrie
Pentru a înlocui semnalul standard analog 4-20mA
Este un bus bidirecţional, cu comunicaţie serială
Leagă dispozitive separate: traductoare, senzori, actuatori, controlere
Dispozitiv “inteligent” – execută funcţii simple: control, diagnostizare
întreţinere, comunicaţie bidirecţională
Înlocuieşte o reţea cu control centralizat  control distribuit
Foloseşte o pereche de fire torsadate
Simplu, fiabil, uşor de utilizat, de întreţinut
Instrumentaţie virtuală
•Aparate
•Instrumente
•Instrumente virtuale = hard (DAQ) + soft + PC
-sistem complex de măsurare  orice funcţie de măsurare
-metode matematice, statistice pt. procesarea datelor
-dezvoltare, modificare uşoară  program
-foloseşte avantajele calculatorului (putere de procesare mare, memorare,
afişare complexă, transmitere la distanţă)
-accesibilitate generală şi cost mai mic de 25%
Dezvoltarea VI