SISTEME INTELIGENTE DE ACHIZI ŢII ŞI TRANSMISII DE DATE

1. SISTEME INTELIGENTE DE ACHIZIŢII ŞI TRANSMISII DE DATE Ágoston Katalin Universitatea “Petru Maior” Tg.Mureş

2. Ce Este Un Sistem De Achiziţii De Date (DAQ)? Sistem flexibil, definit de utilizator

3. 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 • Traductoare • Semnale • Condiţionarea semnalelor • DAQ hardware • Drivere şi programul

4. Senzori şi traductoare *Restricţii privind transformarea fenomenului în semnal măsurabil: -surse de tensiune sau de curent -componente adiţionale * Tipul senzorului: - activ - pasiv

5. 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

6. 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 -

7. Semnale digitale: - stare (nivel logic) : închis-deschis; “1”-”0” tensiunea corespunzătoare nivelului - rată (viteza de variaţie - frecvenţa)

8. 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

9. Condiţionarea implică • Amplificare • Atenuare • Izolare • Structură cu punte de măsură • Eşantionare simultană • Surse de alimentare • Multiplexare • Liniarizare Structuri hardware pentru condiţionarea semnalelor

10. Condiţionarea implică • Amplificatoare de instrumentaţie

11. Condiţionarea implică Condiţionarea senzorilor activi cu tensiune, senzori rezistivi • Măsurarea: • temperaturii, • forţei, • deplasări liniare, • nivele

12. Condiţionarea implică • Amplificatoare de sarcină • senzori piezoelectrici Detectarea vibraţiilor

13. Condiţionarea implică Senzor de vibraţie pe 3 axe

14. 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.

15. 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.

16. 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

17. Condiţionarea implică • Liniarizare • Liniarizarea sursei de semnal: • Alegerea punctului de funcţionare • Conectarea unui element de circuit în serie sau în paralel • Utilizarea unor circuite cu caracteristică neliniară complementară • Liniarizarea blocului de condiţionare: • Utilizarea unor senzori cu variaţie complementară în puntea Wheatstone • Utilizarea unei punţi active (cu AO) • Folosirea unor circuite multiplicatoare analogice • Liniarizare prin soft: pentru semnale deja convertite în valoare numerică • Utilizarea unui fişier sub formă de tabel • Se caută forma analitică a curbei (dreptei) care aproximează cât mai • mult valorile măsurate (metoda celor mai mici pătrate)

18. 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

19. 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

20. 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

21. Schema bloc a circuitului de intrare analogică

22. 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

23. Module - PXI

24. 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

25. Structură SAD cu masă comună

26. Structură SAD cu masă separată

27. Diagrama de timp pentru comanda circuitelor din SAD cu S/H şi CAD comun

28. Structură SAD pentru achiziţii simultane

29. Diagrama de timp pentru comanda circuitelor din SAD cu S/H pe fiecare canalşi CAD comun

30. 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 VILoger –instrument flexibil pentru funcţii speciale

31. 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

32. Magistrale folosite de NI

33. 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 • Rata de eşantionare (Aplication Note-045) • Tensiunea de intrare (domeniul tensiunii de intrare) • Modul de cuplare: DC sau AC

34. 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 • - • -

35. 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 Analog OUT

36. 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/Oprin program

37. 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 • 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

38. 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

39. 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: • Prelucrare şi comandă • Corecţie a erorilor • Crearea blocurilor virtuale • Testarea blocurilor defecte

40. Prelucrare şi comandă Atenuator Amplificator cu câştig reglabil Filtre, CAD, Multiplexoare

41. 2. Corecţia erorilor

42. 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

43. Schema bloc generală

44. Punte RLC 4262

45. Voltmetru FLUKE 8500A

46. Voltmetru HP3455A

47. 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

48. 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 Standarde: 2-10mA 4-20mA

49. Caracteristici transmisiilor digitale • un octet este transmis simultan • viteză mare • protecţie la perturbaţii • distanţă mică Transmisii paralele: Transmisii seriale: • biţii transmişi succesiv pe o linie • viteză redusă • protecţie uşoară la perturbaţii şi zgomote • distanţă mai mare Linii de date Linii de control HANDSHAKE 1. Emiţător  date disponibile 2. Receptor  gata pt. primire 3. Transferul datelor 4. Receptor  terminare • Simplex • Duplex Direcţia de transmisie: Modul de legare a instalaţiilor: serie, stea, tip internet Suportul fizic: conductoare, fibre optice, fără fir

50. 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