SISTEME DE ACHIZITIE SI PRELUCRARE DE DATE

CAPITOLUL 1 PROBLEME GENERALE ALE ACHIZIIEI I PRELUCRRII DE

DATE. FUNCIILE SAPD. SCHEM BLOC.

PROBLEME GENERALE ALE ACHIZIIEI I PRELUCRRII DE DATE.

Sistemele de achiziii de date sunt circuite complexe, care au rolul de a realiza

conversia A/D a unuia sau a mai multor semnale analogice n scopul memorrii temporare, a

transmiterii, prelucrrii i vizualizrii informaiei achiziionate. Avnd n vedere aceste

funcii, utilizare SAD s-a impus i n cadrul Aparatelor Electronice de Msur i Control, mai

cu seam n situaiile n care este necesar prelucrarea numeric a semnalelor furnizate de mai

multe traductoare. n ultimii ani aceast utilizare cunoate o extindere continu ca urmare a

realizrii de SAD n tehnologie monolitic, cu complexitate crescnd i performanele tot

mai bune la un pre de cost sensibil sczut. Elementul esenial al oricrui SAD este

convertorul A/D n jurul cruia sunt grupate, conform mai multor configuraii posibile, n

funcie de tipul aplicaiei circuite de prelucrare analogic a semnalului. Prelucrarea

semnalelor se poate face utiliznd tehnici analogice sau numerice.

In vederea unei prelucrri numerice este necesar transformarea semnalelor analogice

n semnale digitale (numerice) cu un sistem de achiziie date.

Nivelul inferior

Nivelul superior

Frontul de

Frontul de descreter

Semnal digital

forma binar: reprezentarea se realizeaz prin cifrele 0 i 1;

logica active - high nivelul inferior corespunde valorii 0 iar nivelul superior

valorii 1.

logica active low modul de reprezentare este invers.

4

SISTEME DE ACHIZITIE SI PRELUCRARE DE DATE

Semnalele digitale se comport diferit fa de perturbaii n mod comparative cu

semnalele analogice; Practic orice semnal cuprins ntre va fi acceptat ca semnal logic 0 iar

orice semnal ntre ca un semnal logic 1; Suprapunerea unei tensiuni perturbatoare peste

semnalul digital nu introduce erori, dac plaja corespunztoare fiecrui nivel nu este depit.

Exprimarea curent referirea la 1 logic sau 0 logic se face prin cuvntul bit (BInary

digiT): 0121 ........ bbbb nn

O succesiune de bii, definesc noiunea de cuvnt iar lungimea acestuia este egal

cu numrul de n bii;

Cuvintele cu lungimea de 8 bii au denumirea consacrat de byte sau octet;

Bitul cel mai semnificativ este bn-1 i se exprim prin MSB (Most Significant Bit);

Bitul cel mai puin semnificativ este b0 i se exprim prin LSB (Last Significant Bit);

Exemple de cuvinte cu lungimea de 8 bii: 10100101, 11110000 etc.

Semnalele electrice provenite de la ieirile traductoarelor sunt supuse iniial unor

prelucrri analogice primare i transformate n tensiuni electrice. Aceste transformri sunt

realizate la nivelul blocurilor circuitelor de condiionare a semnalelor prin execuia unor

funcii analogice cum ar fi: amplificare, atenuare, filtrare, izolare , conversie tensiune curent,

etc. Semnalele numerice se obin prin prelevarea la un moment dat a valorilor semnalelor

analogice i conversia acestor eantioane n secvene numerice.

Componentele principale ale unui sistem de achiziie si prelucrarea datelor(SAPD)

care execut aceste funcii sunt circuitele de eantionare i memorare i circuitele de

conversie analog numeric.

5

SISTEME DE ACHIZITIE SI PRELUCRARE DE DATE

FUNCIILE SAPD

Funciile principale executate de sistemul de prelucrare numeric pot fi de filtrare

numeric, identificare, reprezentare n domeniul frecven, analize wavelet, clasificare,

sortare, identificare etc. In urma acestor operaii numerice de prelucrare se obin semnale

numerice prelucrate care conin informaii despre procesul fizic. In general scopul obinerii

acestor informaii este acela de a controla sau monitoriza acest proces, astfel datele numerice

prelucrate sunt convertite n semnale analogice de ctre circuitele de conversie numeric-

analogic. Semnalele analogice obinute vor aciona asupra elementelor de execuie EE

(motoare, relee, electrovalve, etc) ce intervin direct n desfurare unui proces pe baza unui

sistem de bucle de reglare automat. In procesul de sintez a unui sistem de prelucrare

numeric sunt necesar a fi ndeplinite urmtoarele caracteristici :

repetabilitatea: proprietate sistemului de prelucrare numeric (SPN) de acelai tip de a conduce la rezultate identice prelucrrii, pentru aceleai semnale i acelai algoritm de

prelucrare.

adaptabilitatea: reprezint proprietatea de modificare a funciei de transfer corespunztoare unui algoritm de prelucrare numeric n concordan cu

caracteristicile semnalelor de intrare sau de mediu.

reprogramabilitatea: reprezint proprietatea de modificare a algoritmului de prelucrare fr modificarea structurii SPN.

stabilitatea: influena redus n timp a factorilor de mediu: temperatur, umiditate, presiune, etc.

sensibilitatea redus la perturbaii: se realizeaz pri alegerea unei structuri adecvate a semnalului constnd n diferene mari (sau acceptabile) ntre nivelele de tensiune a

celor dou nivele logice.

Conversia propriuzis este precedat, de regul, de eantionarea i memorarea temporar a

valorilor eantioanelor prelevate. Frecvena de eantionare se stabilete n funcie de spectrul

de frecvene al semnalelor de intrare, de viteza convertoarelor A/D i de precizia impus

procesului de prelucrare. O frecven de eantionare egal cu dublul frecvenei din spectrul

6

SISTEME DE ACHIZITIE SI PRELUCRARE DE DATE

semnalului prelucrat este suficient n cazul n care intereseaz parametrii statistici ai acestui

semnal. Dac este necesar ca eantioanele prelevate s reprezinte cu precizie suficient

semnalul continuu de la intrare fr a mai calcula alte valori intermediare ale esantioanelor

iniiale, frecvena de esantionare trebuie s fie de cel puin 8-10 ori mai mic dect frecvena

celor mai nalte armonici. Evident, perioada de eantionare nu poate fi mai mic dect timpul

de conversie care, la convertoarele A/D curente, este de circa 15 microsecunde ajungndu-se

n unele cazuri la 4 microsecunde sau la 1 microsecund. Eroarea final a prelucrrii

cumuleaz componente datorate att eantionrii, ct i cuantizrii.

n cazul n care datele achiziionate sunt prelucrate nainte de a fi transmise,

performanele i structura SAD sunt influenate de capacitatea de prelucrare n timp real a

procesului. Performanele sistemului rezult ca urmare a unui compromis ntre banda de

frecvene a semnalului de intrare i de complexitatea algoritmilor de prelucrare n timp real

care pot fi implementai utiliznd procesorul sistemului. n cazul creterii benzii de frecvene

a semnalului precum i a volumului de calcul efectuat se impune alegerea unor procesoare

mai rapide (de tip bit slice) sau a unor structuri multiprocesor, utilizarea unor dispozitive

aritmetice rapide etc. . Caracteristicile semnalelor de intrare influeneaz de asemenea

structura SAD prin tehnici speciale de condiionare a semnalului nainte de eantionare:

amplificarea cu ctig programabil, comutarea automat a intervalelor de msurare,

compresia logaritmic, filtrarea semnalelor de intrare.

SCHEM BLOC A SAPD

In fig. 1.1a este prezentat structura unui sistem de achiziie si prelucrare numeric pentru

controlul unui proces fizic.

TRADUCTOR SAD

PROCES EE

SPN

SEMNALE ANALOGICE

ACTIUNE FIZICA

MARIME FIZICA

SEMNALE NUMERICE

SEMNALE ANALOGICEPRELUCRATE

Fig.1.1a

7

SISTEME DE ACHIZITIE SI PRELUCRARE DE DATE

Echipamentul de testare poate fi utilizat pentru msurri i controlul unor procese multiple pe

baza unor intrri / ieiri (I /O) analogice, I / O digitale sau alte funcii specializate (Fig. 1.1b).

PRO

CES

A C T U A T O R

A C T U A T O R

S E N Z O R I

S E N Z O R I

IN S T R U M E N T E G P IB

IN S T R U M E N T E S E R IA L E

PC

C O N D I IO N A R E S E M N A L

C O N D I IO N A R E S E M N A L

PLA

C

A

CH

IZI

IE

P L A C G P IB

P O R T S E R IA L

P O R T P A R A L E L

Fig.1.1 b Structuri ale unui sistem pentru achiziia datelor

CAPITOLUL 2 TIPURI DE SISTEME DE ACHIZIIE DE DATE

Din punct de vedere al condiiilor de mediu n care sunt amplasate:

1. SAD care funcioneaz n condiii favorabile;

2. SAD utilizate n condiii grele de lucru.

n funcie de numrul canalelor analogice monitorizate:

1. SAD cu un canal:

a. SAD care conine numai circuite pentru conversia direct a semnalului

analogic;

b. SAD ce conine un preamplificator urmat de circuite de conversie;

c. SAD cu un preamplificator urmat de un circuit de eantionare memorare (S/H)

i apoi de circuite pentru conversia analog-digital.

2. SAD multicanal:

a. SAD cu multiplexarea ieirilor convertoarelor A/D, fiecare convertor

corespunznd unui singur canal;

b. SAD cu multiplexarea ieirilor circuitului S/H;

8

SISTEME DE ACHIZITIE SI PRELUCRARE DE DATE

c. SAD cu multiplexarea intrrilor circuitului S/H;

d. SAD-uri destinate multiplexrii semnalelor de nivel redus.

SISTEM DE ACHIZIIE DATE CU UN SEMNAL ANALOGIC DE INTRARE

Structura standard pentru un astfel de sistem este prezentat n figura 1.2.

TRADUCTOR CIRCUIT DE

CONDITIONARE

FILTRUDE INTRARE C.E.M

SE/M

SISTEM DE PRELUCRARE NUMERICA

C.A.N.

SEMNAL ELECTRIC SEMNAL ANALOGIC ESANTIOANE

START CONV.

END CONV.

CUVANT NUMERICb b ,....bo, 1 N

ELEMENT SENSIBIL ADAPTORMARIME FIZICA

Fig.1.2.

Componentele schemei bloc i funciile lor principale sunt urmtoarele:

Traductorul: este compus din dou blocuri principale: elementul sensibil i adaptorul o Elementul sensibil (senzorul) poate fi de tip parametric (inductiv, capacitiv,

rezistiv, etc) sau de tip generator (piezoelectric, termocuplu, tahogenerator).

Adaptorul este circuitul care realizeaz transformarea primar n semnal electric cum

ar fi: oscilatoare, amplificatoare de sarcin, punte Wheastone, etc). In actualitate exist

tendina realizrii de traductoare inteligente care s conin i alte blocuri

ncorporate cum ar fi: filtrul, circuitele de condiionare i chiar de conversie analog-

numeric. Semnalul generat este de natur electric (tensiune sau curent) proporional

cu mrimea fizic msurat.

Filtrul de intrare: cuprinde un filtru trece jos cu rolul de eliminare a efectelor de aliere care rezult din conversia analog-numeric a semnalului analogic.

Circuitele de condiionare a semnalelor: conine circuite care realizeaz prelucrarea analogic: amplificatoare, circuite de conversie analogic, circuite de izolare etc. Dac

este utilizat un amplificator cu ctig programabil , acesta poate permite mrirea gamei

dinamice a semnalului de intrare. Gama dinamic (G) poate fi exprimat funcie de

9

10

SISTEME DE ACHIZITIE SI PRELUCRARE DE DATE

valoarea maxim a semnalului de intrare uimax i valoarea minim impus de a se

detecta uimind rezultnd:

Circuitul de eantionare si memorare: are rolul de prelevare de esantioane din semnalul de convertit n vederea conversiei analog-numerice. Frecvena semnalului se

eantionare i memorare (S E/M ) trebuie s respecte condiia Nyquist din teorema

eantionrii a lui Shannon.

Convertorul anlog-numeric: realizeaz conversia analog-numeric a semnalului analogic eantionat. In funcie de precizia i viteza de lucru a aplicaiei se pot alege

diferite variante: CAN paralel, CAN cu aproximaii succesive, CAN serie-

paralel,CAN delta-sigma, etc. In general circuitul trebuie s fie capabil s genereze

ctre SPN un semnal de sfrit conversie (END CONV.) i s fie controlat de SPN

prin START CONV. (n practic apar aici i alte semnale de control: RD, WR, CS

etc).Rezultatul conversiei apare sub forma unei secvene binare pe N bii.