ACHIZIŢII DE DATE, MĂSURARE, TEST ŞI CONTROL

Ágoston Katalin

Universitatea “Petru Maior” Tg.Mures

Ce Este Un Sistem De Achiziţii De Date (DAQ)?

Sistem flexibil, definit de utilizator

Defini ţie Elemente componente SAPD

    PC program, controla sistemul de măsurare şi test, memorarea datelor - sistem de operare (Windows), soft (LabWindows, LabView) funcţii – generare raport, grafice Sistemul de măsurare şi test – plăci de achiziţie interne, externe, şasiuri multicanale, instrumente, senzori, circuite de condiţionare - port de comunicare Sistemul controlează sisteme de măsurare şi reglare, folosind combinaţii de I/O analogice, digitale, numărătoare, timere. funcţiile pot fi distribuite între PC şi instrumente Instrumente (stand-alone) – microprocesoare, porţi de comunicare, soft sisteme de operare – multicanale, precizie mare, panouri frontale virtuale.

Hardware

Diferite: forme, funcţii, nr. canale, viteză, rezoluţie, precizie şi cost.

depind de cerinţele utilizatorului  

Interne – Plug-in Data Acquisition Boards

- ISA, PCI, PCI Express

Externe – External Data Acquisition Systems

- USB Blocuri/Şasiuri externe - Instrumente discrete - Sisteme hibride

Hardware

Interne – Plug-in Data Acquisition Boards

          Sistem de măsurare şi reglare computerizată ieftină Viteză mare (>1GHz) Diverse funcţii: A/D, D/A, I/O digitale, numărătoare, timere, funcţii speciale Nr. mediu sau redus de canale Cu creşterea nr. de canale scade rezoluţia, viteza Performanţe foarte bune, dar zgomotul electric din PC limitează sensibilitatea măsurării Tensiunea de intrare limitat la ±10V Limitează resursele PC Modificare greoaie a conexiunilor la terminale Nu pot fi legate direct senzori, traductoare

Plăci de achiziţii de date - PCI

Schema generală bloc pentru plăci de achiziţii din seria M (PCI-6221) •AI şiAO 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

Hardware

Externe – External Data Acquisition Systems

       Sursă de alimentare proprie Comunicare prin interfeţe standard sau specifice Realizate pe un şasiu propriu Mai multe canale de I/O Viteză mai mare Zgomot electric, influenţă electromagnetică mai mic Flexibilitate, adaptabilitate mare la diferite aplicaţii

Hardware

Externe – External Data Acquisition Systems Module de achiziţie de date USB

         Conexiune simplă între PC şi modul USB Imunitate la zgomote Compacte şi portabile USB1.1. – rata de achiziţie până la 400kHz USB2.0. – rata de achiziţie până la 500kHz (comparabil cu interne) Acceptă o varietate mare de I/O Pot fi interconectate, legarea modulelor adiţionale Conectare/deconectare în timpul funcţionării PC Sursa de alimentare din PC sau extern

Hardware

Externe – External Data Acquisition Systems Sisteme externe cu şină/şasiu

          Sisteme de achiziţie sine stătătoare pentru aplicaţii industriale Aplicaţii cu mai multe tipuri de senzori, numărătoare, operaţii multiple, simultane sine stătătoare (stand-alone), nr. mare de canale Sensibilitate mare pentru semnale mici (<1mV) Aplicaţii în timp real Interconectarea mai multor plăci analogice şi digitale Zgomot electric redus Folosesc interfeţe standard (IEEE-488, RS-232, USB, FireWire, Ethernet), conectare în reţea, achiziţii de la distanţă Conţin procesor şi memorie dedicată – Independent de PC Arhitectură robustă, şasiu standart uşor de configurat, preţ scăzut Diferite tipuri: VME, VXI, MXI, LXI, CompactPCI, PXI

Hardware

Externe – External Data Acquisition Systems Instrumente

        Multicanale, memorie proprie Specializate pe o anumită categorie de mărime Interfeţe de comunicare (IEEE-488, RS-232, USB, FireWire, Ethernet) Domeniu de măsurare şi sensibilitate mai mare ca plăcile de achiziţie interne Se folosesc mai ales pentru măsurarea U, I, R, C, L, T Nu pot fi folosite cu orice tip de senzor sau circuit de condiţionare Au viteză mai redusă Mai scumpe faţă de SAD/canal

Hardware

Externe – External Data Acquisition Systems Sisteme de achiziţie hibride

       Dezvoltare mai recentă Combin plăcile de achiziţie interne sau externe cu instrumente şi PC pentru a obţine sistemul de măsurare dorit Folosesc o interfaţă grafică (GUI) care apare ca un instrument virtual Funcţii incluse: măsurarea U în c.a. şi c.c. ,I, T, f, numărare, trigerare şi reglare, interfeţe de comunicare Asigură viteză şi precizie corespunzătoare aplicaţiei (18-22bit A/D) Cost redus, flexibilitate mare Keithley KPXI – 130MS/s, I/O analog şi digital, şasiu PXI, controler incorporat, interfaţă GPIB

Hardware - Processors

 Regulă generală – performanţele, gradul de corespundere, utilizarea SAD depind de performanţele hard PC – procesor mai rapid, memorie RAM mare, capacitate de stocare mare îmbunătăţesc SAD 1. Procesoare de uz general PC – cerinţele generale pentru instalarea, rularea unui soft nou sunt mari – procesor, RAM, sist. de operare, rezoluţia, interfeţe, cap. de stocare 2. Procesoare dedicate (Embedded processors) – prelucrare primară, sunt implementate în sisteme cu timp real • •

DSP

(Digital Signal Processor) – transformare A/D

FPGA

(Field Programmable Gate Array)

Bus Architecture



ISA

- 8bit/4.77MHz  16bit/8MHz transfer dintre periferie şi memorie prin

DMA

şi

Plug-and-Play

(compatibilitate dintre periferic, hard, BIOS, Sist. Op. , capacitate de recunoaştere a noului periferic şi integrarea automată în sistem) 

PCI

(Peripheral Component Interconnect) Apărut în 1993 (Pentium) Avantaje: -cre şterea vitezei 8MHz – 33MHz instalare uşoară a plăcilor PCI alocare automată a întreruperilor şi adreselor I/O, canale DMA controler, portul seria, paralel, placa video şi de sunet toate sunt puse pe placa de bază – se eliberează sloturi pentru alte periferice 1995 - 64bit/66MHz

Bus Architecture



PCI-X

(Peripheral Component Interconnect

Extended

) Introdus în 1998 de IBM – se dublează tactul -133MHz creşte viteza de transfer a datelor PC-SAD (532MB/s 1.06GB/s) - 2003 PCI-X2.0 – 266MHz şi 533MHz adaugă cod de corectare  2.15GB/s şi 4.3GB/s, îmbunătăţeşte securitatea sistemului şi se a erorilor şi funcţia de comunicare peer-to-peer pentru comunicare între dispozitive

Bus Architecture

•

PCI Express (PCI-e)

- Bus serial – mai puţine interferenţe - Full-duplex – dispozitivele determină independent viteza Modul de conectare a două instrumente •

PCI-X

- Bus paralel – mai multe linii – interferenţe - Semi-duplex – viteză max. depinde de instrumentul cel mai lent - Structura – 10 biţi + 2 biţi pentru semnal tact  la o viteză de 2.5GHz fiecare linie transmite 2.5Gbiţi de date simultan în ambele direcţii Pentru achiziţii de date înseamnă rată de eşantionare mai mare şi • -

PCMCIA

(Personal Computer Memory Card International Association) în laptop pentru achiziţii de date, dimensiune card de credit seamănă cu ISA bus + plug-and-play

Industrial Computer Expansion

Aplicaţii industriale – nu sunt aplicabile PC generale Cerinţe: număr mare de I/O, suficient spaţiu, toleranţă maximă, comandă e la distanţă, reparabilitate, capacitate de extindere. Se folosesc: sisteme modulare robuste standardizate cu PC încorporat şi module de achiziţie respectiv instrumente plug-in. Senzori şi circuite de condiţionare modulare Orice tip de senzor – calibrare automată Recunoaştere şi ataşare/demontare automată la sistem în timpul funcţionării Oferă o gamă largă de funcţii de măsurare şi test

Industrial Computer Expansion



CompactPCI (cPCI)

sistem identic d.p.d.v. electric cu specificaţiile PCI, foloseşte formatul Eurocard (3U/6U format – 100mm  160mm  1.6mm) conector metric (spaţiu dintre pini 2mm) – IEC1076 standard se pot conecta 8 plăci într-un segment care poate fi multiplicat transferul datelor se face pe 8, 16, 32 sau 64 biţi cu viteza 264MBps Eurocardul are două conectoare J1 (semnale pe 32bit) şi J2 (semnale I/O sau 32bit superior) corespunzător PCI bus pe 64bit poate funcţiona în mod sincron sau asincron funcţie de control al transferului – dispozitive mai lente operează cu viteza proprie poate fi integrat în diferite sisteme cu viteză şi protocol diferit

Industrial Computer Expansion



PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) - 1997

- se bazează pe interfaţa industrială standard PCI - semnalele de triggerare şi temporizare sunt incluse pe suportul din spate permiţând sincronizarea mai multor dispozitive fără conector extern - transferă datele la un PC încorporat pentru analiză - Microsoft Windows - specificaţiile se referă la: nr. canale, rata de transfer - comunicare serială - rata de transfer - Mbps (Megabits per second) - comunicare paralelă - rata de transfer - MBps (Megabytes per second) - mare varietate de produse bazate pe PXI: şasiuri, controlere incorporate, plăci de achiziţii de date, plăci cu I/O analogice multifuncţionale, module de digitalizare, interfeţe GPIB, punţi MXI pentru control la distanţă - GPIB permite includerea PXI în sisteme de măsurare ca dispozitiv extern

Module - PXI

• 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

Industrial Computer Expansion



LXI -

dezvoltarea instrumentelor standard folosind Ethernet pentru comunicare

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

Suport de comunicare

           Comunicare serială RS-232, RS-422, RS-485 Comunicare paralelă SPP, EPP, ECP IEEE-488 (GPIB) USB (Universal Serial Bus) IEEE-1394 (Fire Wire) Ethernet Fieldbus CAN Bus HART ASI Semnal unificat

Legarea în reţea

  Folosirea reţelei Ethernet are avantajul de a interconecta, a transfera date între diferite instrumente şi PC aflate la distanţe mari care nu se poate realiza prin alte mijloace. Prezentarea scurtă a diferitelor tipuri de legături pentru a evidenţia avantajele şi dezavantajele. 

Conexiune directă –

cea mai simplă , în cazul sistemelor de testare mici, pentru colectarea datelor de la un singur instrument pentru evaluare, reglare.



LAN dedicat

– pentru conectarea mai multor instrumente la un PC fără a fi necesar o reţea mai mare. Permite comunicarea între dispozitive. 

LAN întreprindere

– conectarea instrumentelor la o reţea Ethernet existent. Conectarea se face printr-un switch, dar în reţea sunt conectate şi alte dispozitive. Dispozitivele pot fi separate prin Ethernet rutere în funcţie de distanţă şi configuraţie, adică pot fi în subreţele separate. Ruterele adiţionale pot avea efect asupra performanţelor.



LAN dedicat conectat la reţea de întreprindere

comunicarea între instrumente. instrumente, celălalt conectat la LAN. – interconectarea celor două tipuri de reţele prezintă dezavantaje. O arhitectură posibilă ar fi folosirea unui ruter care asigură conectarea la LAN întreprindere, dar izolează reţeaua de O altă alternativă ar fi montarea a două plăci de interfaţă în PC, una conectată la



Conectare prin internet

– când echipamentul de testare şi măsurare trebuie separate în mai multe puncte, dar trebuie să fie accesibile de la un singur sau mai multe locuri. Se poate folosi şi pentru comenzi de la distanţă. 

Reţea wireless

– au de obicei performanţă mai scăzută ca celelalte conexiuni, dar poate fi eficient dacă instrumentul este portabil sau se mută frecvent.

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

Basic Component Theory

   În achiziţia datelor sunt implicate o serie de componente analogice pasive şi active al căror funcţionare, legare, utilizare determină precizia şi succesul măsurării. Ideal sursele de semnal, senzorii pot fi legate direct la sistemele de măsurare, fără circuite de condiţionare speciale. În practică de multe ori sunt necesare componente pasive pentru eliminarea zgomotelor, adaptare de nivel sau alte obiective.     Componente pasive Amplificatoare operaţionale Filtre Intrări şi ieşiri digitale

1.

Rezistenţe

Componente pasive

• Caracteristici: rezistenţa, puterea, construcţia – dependente una de alta •Tehnici de realizare: - amestec de carbon şi material adeziv - film rezistiv depus pe un suport izolator – laser bobinate în/pe material izolator – d, l,  • Forme şi dimensiuni foarte diferite

Caracteristici

Valoare Precizie Putere Dependenţa de frecvenţă Dimensiune

Compozit/Film

De la 0.5

 la milioane de  0.1% - 5% Până la 5W Independent (film depus sub formă de spirală) F. mici, rezistenţe “chip”

Rezistenţă bobinată

0.05

 - mii de ohmi 0.1% - 5% 1W -100W Poate să apară efectul inductiv din cauza bobinajului Mediu şi mare

 Limitare de curent

R



U I

 4 .

3 0 .

025  172   180 

P



U



I

 4 .

3

V

 0 .

025

A

 0 .

1075

W

Valori standard 0.125W sau 0.25W

 Divizor de tensiune Tensiunea max. măsurată 36V Limitele de tensiune a CAD  10V Sursa are o

impedanţă

R  i nternă R 2   100  R intrare DAQ  100k  mică 100M  (ordinul k  )

U ies U

int

r



R

1   10

V

36

V

259  0 .

971 .

2778

k

 

R

1

R

2 

R

2 Valoare standard 270k 

U ies

.

real

 36

V

100

k

  100

k

  270

k

  36

V

 0 .

2703  9 .

73

V

Cu raportul de transformare 0.2703 pentru valoarea citită 6.8V îi corespunde 25.157V

• rezervă de tensiune • calibrare

 Şunt – măsurarea curentului Traductoare – semnal unificat – 4-20mA Tensiunea max. compatibil cu domeniul A/D R  499   U  499  0.020  Valoare standard R  500  9.98V Ideal pentru A/D cu 16biţi şi U max  10V Dacă R  250   A/D cu 8biţi şi U max  5V Conversia I – U se poate realiza dacă sursa de curent generează tensiunea necesară pentru producerea curentului dorit prin circuit!

2. Condensatoare

• Înmagazinează energie electrică în câmpul electrostatic • Dielectric: teflon, polystiren, mylar, polyester film • Diferite forme, diferite caracteristici electrice • Se folosesc  F, nF, pF • Filtrarea zgomotelor de înaltă frecvenţă, circuite S/H

Caracteristici

Polaritate Tensiunea de lucru Frecvenţa Sarcina ESR

Proprietăţi, modificare

Fără polaritate Polarizate (+), electrolitice şi cu tantal U N specificat, tensiunea de lucru maxim trebuie să fie mai mic sau egal cu U N X C =1/2  fC - filtrare, bypass, effect inductiv Dielectric perfect – menţine sarcina electrică, nu disipă putere activă, nu se încălzeşte. Dielectric real – trece un curent care descarcă condensatorul Este important în circuite de Eşantionare-Memorare (S/H) Rezistenţa Echivalentă Serie dat de rezistenţa terminalelor, material dielectric, etc. Condensatoarele reale se comportă ca un C ideal înseriat cu o rezistenţă ideală.

Schema echivalentă pentru un condensator real Pierderile se datorează R şi L La anumite frecvenţe înrăutăţeşte proprietăţile C Blocarea componentelor dc –

filtrare zgomote, anti-aliasing

X C

 2    1

f



C

 2    10  10 3 1  0 .

047  10  6  338 .

63 

X C

 2    1

f



C

 2    100  10 3 1  0 .

047  10  6  33 .

86 

Constanta de timp

 

R



C

 470

k

  10 

F

 4 .

7

s

3. Inductivităţi, bobine

• Legea inducţiei – • Producerea câmpului magnetic în jurul conductorului parcurs de curent • Bazele funcţionării electromagnetului, motoare, generatoare, transformatoare • Back EMF – tensiune inversă – deconectare  vârfuri mari de tensiune  folosirea diodelor de deconectare în paralel cu bobina • Construcţie:

Z L



R



jX L X L

 2   

f



L

 2    3  10 3  0 .

5  10  3  9 .

42  R – rezistenţa de pierderi dată de: rezistenţa sârmei, rezistenţa firelor de legătură, pierderi în miez (histereză, curenţi turbionari), flux disipat, fluxuri parazite. Scumpe, realizate numai pentru câteva valori

Amplificatoare Operaţionale

• Pentru operaţii matematice – circuite analogice • Circuite liniare –

U ies



f



U in

1 ,

U in

2  • Amplificare, integrare, derivare, logaritmare • Tipuri: FET, JFET, CMOS, BIPOLAR • Caracteristici: impedanţa de intrare, consum, tensiunea de alimentare, banda de frecvenţă – alegerea AO  Tensiunea de alimentare:  3V   5V  30V ,  12V  18V  Impedanţa de intrare: ideal – infinit  I in =0 real – f. mare MOSFET – buffer – surse cu impedanţă mare

 Câştig, amplificare: depinde de tensiunea de alimentare

U out



A

 

U

(  ) 

U

(  )   Reacţie: menţine la valoare egală tensiunile de intrare

U out



U in



R

2

R

1

U out



U in

   1 

R R

2 1  

 Tensiune (semnale) de mod comun şi mod normal - minimizarea zgomotelor -

Tensiunea de mod normal

apare pe intrările AO şi se adună cu semnalul de intrare Specificaţiile date în acest sens se dau când sursa de zgomot are 50Hz, 60Hz Capacitatea de a elimina aceste zgomote la trecerea semnalului dc sau de frecvenţă joasă se exprimă prin

Normal Mode Rejection Ratio NMRR(dB)



20log(peak NM noise/peak measurement deviation)

NMRR  80dB (fiecare 20dB reduce NM de 10 ori) Cauzată de ecranare insuficientă, cablaj necorespunzător.

Se elimină prin filtrare, mediere, post-procesare.

Tensiunea de mod comun

apare între intrările AO şi masă  diferenţiere  elimină în mod automat. Se exprimă prin Common Mode Rejection Ratio CMRR  120dB Cauzează măsurare zgomotoasă, erori inexplicabile.

se

Apare în cazul punerilor la masă în locuri diferite (şasiuri diferite) cablu lung  circulaţie de curent  semnal măsurat are un ofset  un singur punct pt. legare la masă Senzorul are o tensiune flotantă – termocuplu legat la A/D se leagă o R  1M  între IH sau IL şi GND

 Single Ended / Diferenţial - descrierea intrării AO - modul de conectare a semnalului Single-Ended – semnal raportat la masă Diferenţial – semnal flotant + ecran legat la masă, răspunsul  IH – IL  Bipolar / Unipolar descrierea comportării semnalului nr. de biţi A/D la digitalizarea semnalului

 Intrări Single-Ended / Diferenţial pentru măsurări Diferenţial – imunitate mai mare la zgomote Mai multe traductoare, la distanţe mari Moduri de conectare a sursei de semnal la DAQ

Filtre

• Condiţionarea semnalelor • Pasive – R,C, L – caracteristică moale • Active – AO – caracteristică mai abruptă – Bessel, Butterworth, Chebyshev • Frecvenţa de tăiere (caracteristica)

Intrări / Ieşiri digitale

   I/O digitale sunt reprezentate pe un singur bit de valoare ON (High) sau Off (Low). Sunt generate sau citite de porţi digitale care au o singură ieşire şi mai multe intrări. Funcţii logice Booleane: AND, NAND, OR, NOR, XOR



Circuite logice şi nivele logice



Parametrii:

- tensiunea corespunzătoare nivelelor “1” şi “0” - compatibilitate cu alte circuite an. sau dig. - tensiunea şi puterea necesară - viteza (întârzierea introdusă). 

Logica TTL

“1”  “0”  0.0 – 0.8V ; I 2.0 – 5.0V ; I IN IN =0.02mA ; I =-0.4mA ; I OUT OUT =8mA ; U OUT =-0.4mA ; U >2.7V

OUT <0.5V



Logica CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor)

- dom. tens. alim larg, consum mic, incompatibil cu TTL, sensibil la câmpuri electrostatice - tensiunea corespunzătoare nivelelor logice “1” şi “0” depinde de tensiunea de alimentare, diferenţierea se face la jumătatea acesteia.