1. SISTEME DE ACHIZIŢIE A DATELOR

1.1. STRUCTURA SISTEMELOR DE ACHIZIŢIE A DATELOR Utilizarea pe scară largă a calculatoarelor în cercetare şi industrie are ca scop

rezolvarea numerică a problemelor ştiinţifice şi tehnice, conducerea experimentelor de laborator, prelucrarea datelor experimentale, simularea, conducerea şi controlul proceselor industriale, precum şi transmiterea informaţiei.

Un sistem de achiziţie a datelor îndeplineşte următoarele funcţii: condiţionarea, amplificarea, filtrarea, multiplexarea, eşantionarea şi conversia analog-digitală a semnalelor, prelucrarea, afişarea şi stocarea datelor. Aceste funcţii sunt realizate de componente hardware (senzori şi traductoare, module de condiţionare a semnalelor, interfeţe de achiziţie a datelor, calculatoare) şi software (programe de achiziţie şi prelucrare a datelor).

1.1.1 Calculatorul personal

Utilizarea calculatoarelor personale în sistemele de achiziţie a datelor este facilitată de perfecţionarea simultană a microprocesoarelor şi a magistralelor de comunicaţie. Alegerea structurii interfeţei de achiziţie şi a magistralei de comunicaţie externă trebuie să fie corelată cu performanţele metodei de transfer intern a informaţiilor. Arhitectura calculatorului implicat în sistem poate afecta considerabil viteza de achiziţie a datelor. Un suport de calcul flexibil utilizat din ce în ce mai frecvent în industrie este calculatorul portabil realizat în jurul unui microprocesor.

Un sistem de calcul este format din următoarele elemente:- unitatea centrală de prelucrare (CPU - Central Processing Unit), care

efectuează calculele şi urmăreşte realizarea secvenţială a programului prin interpretarea şi procesarea informaţiilor;

- memoria centrală cu acces aleator (RAM – Random Access Memory) în care sunt păstrate temporar instrucţiunile şi datele procesate;

- echipamentele periferice, utilizate pentru introducerea datelor în calculator (echipamente de intrare), pentru extragerea datelor din calculator (echipamente de ieşire) şi pentru memorarea pe termen lung a programelor şi datelor (memorii auxiliare).

Capacitatea discului dur (HDD – Hard Disk Drive) al calculatorului poate limita sever cantitatea de date achiziţionate. De asemenea, timpul de acces la disc şi fragmentarea fişierelor înregistrate pe acesta pot reduce semnificativ viteza de eşantionare şi de stocare a datelor.

În cazul sistemelor destinate achiziţiei semnalelor de înaltă frecvenţă este indicat să se aleagă o unitate de disc dur de mare viteză şi să se asigure pe disc un spaţiu liber şi nefragmentat (contiguu) suficient de mare pentru colectarea tuturor datelor necesare. În plus, este util să se rezerve un disc dur numai pentru stocarea datelor achiziţionate, sistemului de operare fiindu-i alocat un alt disc.

Procesarea semnalelor în timp real şi achiziţia semnalelor de înaltă frecvenţă necesită procesoare pe 32 sau 64 biţi de mare viteză şi coprocesoare, sau procesoare de semnale digitale (DSP – Digital Signal Processing).

1.1.2 Modulele de condiţionare a semnalelor

1 - 1

Traductoarele sesizează diferite mărimi fizice şi generează semnale electrice pe care le furnizează sistemelor de achiziţie de date în scopul măsurării şi înregistrării. De exemplu, termocuplele şi termistoarele convertesc temperatura într-un semnal analogic pe care un convertor analog-digital îl poate transforma într-un semnal numeric. Din punct de vedere structural, semnalele uzuale pot fi clasificate în două categorii: analogice şi digitale.

Un semnal electric analogic este o tensiune sau un curent variabil continuu în raport cu timpul, caracterizat prin nivel, formă şi frecvenţă.

Un semnal electric digital are numai două niveluri caracteristice: superior şi inferior (on sau off, 0 sau 1). Informaţiile pe care le poate furniza un astfel de semnal sunt numai starea (descrisă prin nivelul semnalului: superior sau inferior) şi durata (intervalul de timp în care acesta îşi conservă starea).

Semnalul furnizat de un traductor trebuie să fie compatibil cu sistemul de achiziţie de date, adică să prezinte caracteristici adecvate performanţelor statice şi dinamice ale acestuia. Compatibilizarea se realizează printr-un modul de condiţionare a semnalului. Acesta amplifică sau reduce după caz nivelul semnalelor, le izolează galvanic şi le filtrează pentru eliminarea zgomotului, mărind semnificativ precizia şi siguranţa sistemului.

În sistemele industriale complexe modulele de condiţionare a semnalelor pot fi introduse explicit în lanţul de măsură, ca echipamente independente, sau pot fi incluse în echipamente integrate de achiziţie de date.

1.1.3 Echipamente de achiziţie a datelor

Aceste echipamente constituie interfaţa dintre procesul monitorizat şi calculator deoarece digitizează semnalele analogice furnizate de traductoare pentru a fi interpretate de calculator.

Specificaţiile obligatorii pentru definirea unui sistem de achiziţie de date sunt:- numărul de canale analogice şi digitale de intrare;- rata de eşantionare, corespunzătoare frecvenţei conversiei analog-digitale; o

rată de eşantionare mare permite achiziţia unui număr mai mare de date într-un interval de timp dat, oferind o reprezentare numerică mai fidelă a semnalului original;

- numărul de convertoare analog-digitale care asigură multiplexarea;- rezoluţia conversiei, adică numărul de biţi pe care convertorul analog-digital îl

utilizează pentru a reprezenta semnalul analogic;- domeniul de măsură, care reprezentă diferenţa dintre nivelul maxim şi nivelul

minim de tensiune cuantificată de convertorul analog-digital.

1.1.4 Programe Programele necesare funcţionării unui calculator se împart în trei mari categorii:- programe de sistem - controlează operaţiile efectuate de sistemul de calcul şi

asigură legătura dintre subsistemele acestuia, programele de aplicaţie şi cele utilitare; au rolul de a simplifica operaţiile de alocare a memoriei, afişare a caracterelor pe ecran şi la imprimantă, citire a caracterelor de la tastatură, accesul la informaţiile stocate pe discurile magnetice etc.;

- programe de aplicaţie - interacţionează direct cu utilizatorul, fiind specializate în executarea unor prelucrări specifice; în această categorie intră programele pentru achiziţia şi gestiunea bazelor de date, editoarele de texte, programele de tehnoredactare şi grafică etc.;

1 - 2

- programe utilitare - interacţionează direct cu utilizatorul, dar, spre deosebire de programele de aplicaţii, realizează prelucrări de uz general; ele susţin administrarea sistemului de calcul şi utilizarea programelor prin copierea fişierelor, pregătirea discurilor magnetice pentru utilizare, crearea de copii pentru salvarea informaţiilor, testarea sistemului de calcul etc.; o categorie aparte de programe utilitare o constituie programele de "interfaţă", care îndeplinesc rolul de "interpret" între utilizator şi sistemul de operare.

Programele de achiziţie transformă sistemul format dintr-un calculator şi echipamentele de achiziţie într-un instrument complex de prelevare, stocare, analiză şi prezentare a datelor. Un sistem performant de achiziţie a datelor destinat măsurării, reglării sau testării este format din componente compatibile de calitate similară. Dacă acestea sunt grefate pe un sistem de calcul de uz general, interfaţarea lor cu operatorul este asigurată numai de programul de achiziţie, care integrează traductoarele, modulele de condiţionare a semnalului şi echipamentul de achiziţie, coordonând toate activităţile sistemului.

1.1 METODOLOGIA DE ACHIZIŢIE A DATELOR EXPERIMENTALE

Sistemele de măsurare automată, continuă sau intermitentă, constituie în prezent instrumente obligatorii în procesele de dezvoltare a produselor sau proceselor industriale. În ultimii 20 de ani, sistemele de măsură au cunoscut o evoluţie structurală radicală, ajungând la o nouă arhitectură în cadrul căreia calculatorul are rolul principal.

1.2.1 Evoluţia sistemelor de măsură

În urmă cu peste două decenii, comunicaţiile seriale RS-232 şi GPIB au permis calculatorului personal să devină o parte componentă a sistemelor de măsură. Prin conectarea echipamentelor de măsură la calculator s-au redus atât timpul de lucru, cât şi erorile de procesare specifice transferului manual al datelor introduse în calculator pentru analize ulterioare. Utilizarea calculatorului ca „manager” pentru componentele sistemelor de măsură a permis integrarea şi coordonarea simultană a mai multor instrumente de măsură. În acest scop, a fost necesară crearea unei interfeţe software numită „driver” destinată interogării şi recepţionării răspunsurilor de la instrumente. Driver-ele se instalau ca o parte a sistemului de operare, conform unor standarde precum API (Application Programming Interface – Interfaţa de Programare a Aplicaţiilor).

La jumătatea anilor ’80, progresele realizate în arhitectura sistemelor de calcul (respectiv a magistralelor de transmisie) au permis dezvoltarea echipamentelor de măsură modulare pe care utilizatorii le puteau instala într-un calculator personal.

Apariţia plăcilor de achiziţie modulare a eliminat necesitatea utilizării unui microprocesor specializat, a memoriei interne şi a programelor dedicate, stocate în instrumente de măsură independente. Avantajele oferite de plăcile de achiziţie au fost majore: dimensiunile şi costurile componentelor calculatoarelor s-au redus, iar performanţele sistemelor de măsură au crescut.

Aceste platforme flexibile şi ieftine solicitau însă de la programul de achiziţie mai multe operaţii decât trimiterea comenzilor şi primirea răspunsurilor. Interfeţele de programare a aplicaţiilor de nivel înalt au simplificat procesul de transfer rapid al datelor între placa de achiziţie şi memoria volatilă a calculatorului. Cu ajutorul algoritmilor de procesare a semnalelor şi a instrumentelor software, specialiştii au creat propriile rutine de analiză. Programele de interfaţă cu utilizatorul au fost realizate cu pictograme amplasate pe ecranul calculatorului sub formă de butoane şi cursoare specifice instrumentelor de măsură clasice. Astfel, dezvoltarea mediilor specializate de măsură a

1 - 3

condus la dezvoltarea instrumentelor integrate de control şi achiziţie a datelor, analiză şi vizualizare a acestora.

Inovaţiile din domeniul arhitecturii magistralelor de transmisie (de ex.- PXI/Compact PCI) au permis în ultimii ani crearea unor sisteme specializate de măsură şi control. Spre deosebire de sistemele tradiţionale, acestea integrează o mare varietate de echipamente de măsură. La început au fost conectate la PC instrumentele de măsură independente; ulterior, s-au adăugat echipamentele de măsură analogice şi digitale, iar în prezent sunt incluse chiar şi echipamente de achiziţie a imaginilor pentru verificări vizuale şi controlere de acţionare. În plus, sistemele de măsură şi control integrate oferă posibilitatea conectării simple la echipamentele din familia automatelor programabile (PLC).

1.2.2 Integrarea echipamentelor de măsură

În prezent, instrumentele de măsură independente sunt optimizate pentru a putea fi utilizate în sisteme de măsură integrate. Evoluţia rapidă a tehnicii de măsurare şi a echipamentelor specifice impune reducerea timpului necesar elaborării programelor aferente de testare. În acest scop, se utilizează limbaje de programare evoluate (Visual Basic, Visual C++ etc.). Programele specifice joacă un rol vital în dezvoltarea sistemelor de achiziţie a datelor şi control deoarece asigură programarea şi integrarea echipamentelor de măsură, precum şi configurarea locală şi distribuită; ele trebuie să fie modulare, să poată fi elaborate simplu şi modificate rapid la schimbarea cerinţelor sistemului.

Mediile de dezvoltare a aplicaţiilor (Application Development Environments – ADEs) integrează modulele executabile ale programelor, driverele echipamentelor, interfeţele programelor de aplicaţie (API) şi managerul de configurare.

Driverele echipamentelor trebuie să asigure flexibilitatea programării, o interfaţă API scalabilă şi consistentă, configurare şi operare de la distanţă şi integrarea cu algoritmii de conducere (Driver Engines and Algorithms = Motoare şi Algoritmi de Conducere).

1.2.3 Medii de dezvoltare a aplicaţiilor Mediile de dezvoltare a aplicaţiilor joacă un rol important în concepţia

programelor de măsurare şi automatizare deoarece permit proiectarea sistemului care preia datele furnizate de traductoare, controlează procesele, afişează informaţiile la utilizatorul final, asigură conectarea cu alte aplicaţii etc.

Alegerea unui mediu de dezvoltare a aplicaţiilor de măsură şi control depinde de capacitatea acestuia de gestionare şi procesare a datelor obţinute prin măsurări, astfel încât acestea să poată fi utilizate în rutinele de procesare adiţională.

Pentru a creşte la maximum productivitatea programării aplicaţiilor, mediile de dezvoltare trebuie să includă funcţii de analiză numerică şi algoritmi performanţi de procesare a semnalelor, specifici aplicaţiilor de măsurare, funcţii de reglare de tip PID sau fuzzy, rutine de reducere a zgomotului, de analiză spectrală, de filtrare digitală, de integrare şi derivare numerică, trasare şi netezire a curbelor etc.

Mediile de dezvoltare a aplicaţiilor trebuie să asigure: - conectivitatea cu alte instrumente software prin intermediul unor instrumente

software precum ActiveX şi DLL); - conectarea la o bază de date (SQL, MySQL, ORACLE, DB2, FOX PRO etc.); - conectarea la reţele de calculatoare prin intermediul tehnologiilor TCP/IP sau

UDP;- crearea rapoartelor partajate în formate XML, HTML etc.

1 - 4

Tehnologiile moderne, precum Microsoft.NET, permit conectivitatea între sisteme aflate la distanţă.

Un exemplu tipic de de rezolvare integrală a problemelor menţionate este furnizat de firma National Instruments (S.U.A.), creatoare a două medii de dezvoltare a aplicaţiilor - LabVIEW şi LabWindows/CVI.

1.3 PROGRAME DE MANAGEMENT AL SISTEMELOR DE MĂSURĂ ŞI AUTOMATIZARE

Programul de management al sistemului de măsură (System Management Software) are un rol important în cadrul pachetului de programe de măsură şi automatizare (Measurement and Automation Software Framework).

Programul de management al încercărilor (Test Management Software) furnizează cadrul de lucru pentru întreg sistemul de măsură, asigurând interfaţa dintre sistemul de testare şi alte sisteme precum bazele de date, sistemele de fabricaţie şi cele de asigurarea calităţii.

Sistemele de măsură colectează cantităţi mari de date, astfel că modul în care se face gestionarea acestora este deosebit de important pentru sistemele de măsură integrate. Prin incorporarea managementului datelor tehnice în sistem, acestea pot fi partajate eficient şi se pot lua decizii fundamentate pe criterii obiective.

Programul de gestiune a datelor (Data Management Frameworks) asigură aceste funcţii, furnizând sistemelor de măsură un mediu de lucru organizat, care permite stocarea datelor în numeroase tipuri de fişiere, manipularea acestora şi analiza interactivă cu ajutorul rutinelor bazate pe măsurări, generarea rapoartelor profesionale standardizate etc.

1 - 5