L3. SMAPD

1

Lucrarea 3. Placa de achiziie date: multiplexoare, circuite de eantionare-memorare, convertoare analog-numerice i numericanalogice

Progresele nregistrate n domeniul senzorilor i al traductoarelor, al electronicii i al informaticii au contribuit la organizarea n mod raional i economic a numeroaselor msurri necesare astzi n industrie.

Spre exemplu, controlul, supravegherea i comanda unei centrale termoelectrice necesit n mod normal mii de msurri. Aceast tendin explic dezvoltarea foarte rapid a instrumentaiei numerice de msurare. Numeroasele mrimi ce trebuie msurate sunt desfurate n spaii largi i foarte diferite ca natur (temperaturi, presiuni, turaii, eforturi etc.).

Semnalele de msurare trebuie transmise la un centru de prelucrare i utilizare a informaiilor, aflate de asemenea la distan. Pentru a evita diafonia dintre canalele de transmisie, dar i din motive de economie, se utilizeaz multiplexorul, care cupleaz pe rnd canalele de msurare la linia de transmisie. El este comandat fie de o logic cablat, fie mai ales de un microprocesor sau microcalculator, dup un program adecvat.

n funcie de cerinele sistemului de msurare, o parte din componentele lanurilor pot fi comune, de exemplu: amplificatorul, circuitul de eantionare i memorare etc.

Utilizarea microprocesorului sau a calculatorului numeric presupune, obligatoriu, utilizarea

unor convertoare analog-numerice (CAN) sau numeric-analogice (CAN) pentru trecerea de la

mrimile analogice la semnale numerice i invers.

Se obine astfel un sistem de msurare i achiziie de date a crui arhitectur poate fi diferit, n funcie de cerinele impuse de sistemul industrial de supravegheat i controlat i n funcie de componentele utilizate n sistemul de msurare.

Figura 1. Structura unui lant numeric de masurare

Arhitectura unui lan de msurare numeric este prezentata in figura 1. El conine o parte analogic, format din traductor i condiionerul semnalului analogic, o parte de conversie analog-numeric, format din circuitul de eantionare-memorare (EM) i convertorul analog-

L3. SMAPD

2

numeric (CAN), partea numeric propriu-zis, format din convertoarele de prelucrare numeric, microprocesor, afiaj numeric etc.

Creterea complexitii sistemelor de msurare a condus la nlocuirea logicii cablate, ceea ce a permis creterea performanelor i scderea costurilor. Printre funciile caracteristice ncredinate microcalculatoarelor, se pot enumera: gestiunea dinamic a semnalelor provenind de la mai multe canale, dup un algoritm

stabilit;

memorarea informaiilor n scopul utilizrii lor ulterioare; supravegherea unor parametri i declanarea unor alarme ierarhizate sau a unor

comenzi;

trimiterea rezultatelor pe o reea telefonic sau informatic; extragerea unor semnale prin autocorelaie, intercorelaie, filtraje numerice; analiza n frecven a semnalelor prin transformata Fourier rapid (FFT); analize statistice: teste parametrice; domeniul de ncredere, extrapolri, sinteze; prezentarea grafic a rezultatelor.

Aceste funcii pot fi realizate prin program sau utiliznd componente numerice integrate specializate.

Multiplexorul (MUX) este o component electronic ce conine o baterie de comutatoare analogice cu ieirile legate mpreun, numrul de comutatoare determinnd numrul de canale de intrare. Comanda nchiderii i deschiderii comutatoarelor este efectuat printr-o intrare de selectare a canalului, care este o intrare logic, coninnd unul sau mai muli bii. Cu un bit, de exemplu, se pot comanda dou ci, cu n bii, 2n canale.

MUX-urile curent ntlnite sunt cu 4, 8 sau 16 canale. Fiecare canal este comandat prin

adresa sa, care este de fapt numrul canalului. Adresarea poate fi fcut fie secvenial, fie aleatoriu. n ultimul caz, rolul de programator l poate avea numai microprocesorul, care

adreseaz direct fiecare canal, n timp ce, n modul secvenial, fiecare canal este adresat ntr-o ordine bine definit, unul dup altul.

Prezena n calculatorul nsui a convertoarelor CAN i CNA simplific sarcinile de conectare i programare ale MUX i DEMUX. Semnalele de msurare obinute la senzori, condiionate corespunztor n tensiune cu nivel standard (2,5 V, 5 V), sunt aplicate multiplexorului analogic (MUX) care le comut pe rnd, conform programului, la intrarea circuitului de eantionare i memorare E&M i la convertorul analog-numeric (CAN), pentru a fi convertite numeric.

Unitatea central (UC) prelucreaz numeric aceste eantioane, conform programului implementat n memoria de baz (HDD), unde sunt transferate i rezultatele finale. Pentru prelucrri numerice curente, este disponibil i o memorie de lucru (RAM) mai rapid. Pentru comenzi i controlul proceselor, este utilizat un DEMUX care dirijeaz informaiile spre utilizatorii digitali sau analogici (caz n care este necesar conversia numeric-analogic cu CAN).

Pentru implementarea i modificarea programelor, este prevzut posibilitatea conectrii, permanente sau ocazionale, a unei tastaturi i a unui display. De asemenea, pot fi conectate,

L3. SMAPD

3

opional, o imprimant pentru tipriri de documente i un MODEM pentru transmisii la distan.

Astfel de arhitecturi cu calculator de proces sunt curent utilizate n aplicaii industriale, la linii tehnologice sau de prelucrare, la centralele electrice etc. Atunci cnd sistemul de

msurare este conceput i proiectat s monitorizeze un anumit proces, este implementat i realizat o dat cu aceasta i este optimizat n funcie de cerinele tehnice ale acestuia.

In figura 2 este prezentata o structur posibil a unui sistem de msurare i achiziie de date tipic utilizrii microprocesoarelor (P). Se regsesc i aici convertoarele CAN i CNA, MUX, DEMUX, cu diferena c funciile corespunztoare sunt realizate n general de circuite specializate i nu de microprocesorul nsui. De subliniat c P este completat cu circuitele uzuale:

I/O (Input / Output) interfa de intrare ieire; ROM - (Read Only Memory) memorie implementat cu program; RAM (Random Acces Memory) memorie de lucru i stocare intermediar; TIMER ceas baz de timp pentru derularea operaiilor.

Figura 2. Sistem de achiziie de date cu microprocesor

Tastatura, display-ul, respectiv imprimanta sunt fie prezente tot timpul, la cerere, fie numai la

punerea n funciune, dup caz. Memoria extern i MODEM-ul nu figureaz dect dac este necesar. n majoritatea cazurilor, partea opional lipsete.

L3. SMAPD

4

APLICATIA 1.

Sa se realizeze un sistem de masurare a temperaturii apei utilizand un senzor de

temperatura digital in mediul Arduino.

Figura 3. Schema circuitului de masurare a temperaturii apei ( -55 : 150 C)

Codul programului "SenzTempAPA.ino"

// Masurare Temperatura Apa cu senzorul digital de temperatura DS18B20

// Librarii utile :

// http://www.pjrc.com/teensy/td_libs_OneWire.html

// sau

// DallasTemperature library

// http://milesburton.com/Dallas_Temperature_Control_Library

#include

OneWire ds(2); // este necesar un resistor de 4.7K intre pinul 2 si pinul 5V

void setup(void) {

Serial.begin(9600);

}

void loop(void) {

byte i;

byte present = 0;

byte type_s;

byte data[12];

byte addr[8];

float celsius;

if ( !ds.search(addr)) {

ds.reset_search();

delay(250);

L3. SMAPD

5

return;

}

if (OneWire::crc8(addr, 7) != addr[7]) {

return;

}

switch (addr[0]) {

case 0x10:

type_s = 1;

break;

case 0x28:

type_s = 0;

break;

case 0x22:

type_s = 0;

break;

default:

return;

}

ds.reset();

ds.select(addr);

ds.write(0x44, 1);

delay(1000);

present = ds.reset();

ds.select(addr);

ds.write(0xBE);

//Serial.print(" Data = ");

//Serial.print(present, HEX);

//Serial.print(" ");

for ( i = 0; i < 9; i++) {

data[i] = ds.read();

//Serial.print(data[i], HEX);

//Serial.print(" ");

}

int16_t raw = (data[1]

L3. SMAPD

6

celsius = (float)raw / 16.0;

Serial.print(" Temperatura = ");

Serial.print(celsius);

Serial.println(" oC ");

}

Se adauga libraria de programe OneWire

Se compileaza codul sursa

Se selecteaza mediul de lucru

L3. SMAPD

7

Se selecteaza portul serial

Se incarca programul

L3. SMAPD

8

Se selecteaza ecranul serial

Rezultatul programului

L3. SMAPD

9

Se salveaza datele intr-un fisier extern

Se traseaza graficul variatiei temperaturii in timp

L3. SMAPD

10

APLICATIA 2.

Sa se realizeze un sistem de masurare a temperaturii apei in mediul Arduino (datele

sunt afisate pe ecran si salvate in fisiere externe) .

Codul programului "SenzTempAPA_SDCard.ino":

// Masurare Temperatura Apa cu senzorul digital de temperatura DS18B20

// Librarii utile :

// http://www.pjrc.com/teensy/td_libs_OneWire.html sau

// DallasTemperature library

// http://milesburton.com/Dallas_Temperature_Control_Library

/*

SD card datalogger

This example shows how to log data from the analog sensors

to an SD card using the SD library.

The circuit:

* analog sensors on analog pins 2

* SD card attached to SPI bus as follows:

** MOSI - pin 11

** MISO - pin 12

** CLK - pin 13

** CS - pin 10 Arduino UNO ( pin 54 Arduino MEGA)

*/

#include

#include

const int chipSelect = 10;

L3. SMAPD

11

#include

#include

OneWire ds(2);

#include

#include // F Malpartida's NewLiquidCrystal library

//Download: https://bitbucket.org/fmalpartida/new-liquidcrystal/downloads

#define I2C_ADDR 0x27 // Define I2C Address for the PCF8574T

#define BACKLIGHT_PIN 3

#define En_pin 2

#define Rw_pin 1

#define Rs_pin 0

#define D4_pin 4

#define D5_pin 5

#define D6_pin 6

#define D7_pin 7

#define LED_OFF 1

#define LED_ON 0

LiquidCrystal_I2C

lcd(I2C_ADDR,En_pin,Rw_pin,Rs_pin,D4_pin,D5_pin,D6_pin,D7_pin);

void setup(void) {

Serial.begin(9600);

Serial.print("Initializare SD card...");

pinMode(10, OUTPUT);

if (!SD.begin(chipSelect)) {

Serial.println("Eroare SD Card , sau nu este prezent");

return;

}

Serial.println("SDCard initializat");

lcd.begin (16,2); // initializare LCD

lcd.setBacklightPin(BACKLIGHT_PIN,POSITIVE);

lcd.setBacklight(LED_ON);

}

void loop(void) {

byte i;

byte present = 0;

byte type_s;

byte data[12];

byte addr[8];

float celsius;

if ( !ds.search(addr)) {

ds.reset_search();

L3. SMAPD

12

delay(250);

return;

}

if (OneWire::crc8(addr, 7) != addr[7]) {

return;

}

switch (addr[0]) {

case 0x10:

type_s = 1;

break;

case 0x28:

type_s = 0;

break;

case 0x22:

type_s = 0;

break;

default:

return;

}

ds.reset();

ds.select(addr);

ds.write(0x44, 1);

delay(1000);

present = ds.reset();

ds.select(addr);

ds.write(0xBE);

for ( i = 0; i < 9; i++) {

data[i] = ds.read();

}

int16_t raw = (data[1]

L3. SMAPD

13

lcd.backlight();

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Temp APA");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(celsius);

lcd.print(" ");

lcd.print(" oC");

lcd.home();

Serial.print(" Temperatura ");

Serial.print(celsius);

Serial.println(" oC ");

File dataFile = SD.open("datalog.txt", FILE_WRITE);

if (dataFile) {

dataFile.print(" Temperatura ");

dataFile.println(celsius);

dataFile.close();

}

else {

Serial.println("error opening datalog.txt");

}

}

Rezultatul programului

L3. SMAPD

14

L3. SMAPD

15

Figura 4. Schema de montaj a sistemului de masurare a temperaturii apei