SISTEME INTELIGENTE DE ACHIZIŢII ŞI TRANSMISII

DE DATE

Ágoston Katalin

Universitatea “Petru Maior” Tg.Mures

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

Sistem flexibil, definit de utilizator

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

1. Traductoare2. Semnale3. Condiţionarea semnalelor4. DAQ hardware5. Drivere şi programul

Senzori şi traductoare

* Restricţii privind transformarea fenomenului în semnal măsurabil:-surse de tensiune sau de curent-componente adiţionale

* Tipul senzorului: - activ - pasiv

SemnaleSemnale 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 FourierTeorema de eşantionare a lui Nyquist

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 -

Semnale digitale: - stare (nivel logic) : închis-deschis; “1”-”0”tensiunea corespunzătoare nivelului

- rată (viteza de variaţie - frecvenţa)

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

Condiţionarea implică• Amplificare • Atenuare• Izolare • Structură cu punte de măsură • Eşantionare simultană • Surse de alimentare • Multiplexare • Liniarizare

Structuri hardwarepentru

condiţionarea semnalelor

Condiţionarea implică•Amplificatoare de instrumentaţie

1

2

3

40 21

R

R

R

R

U

UA

i

Condiţionarea implică

Măsurarea:•temperaturii, •forţei, •deplasări liniare, •nivele

Condiţionarea senzorilor activi cu tensiune, senzori rezistivi

Condiţionarea implică

•Amplificatoare de sarcină

senzori piezoelectrici

fC

qU

0

Detectarea vibraţiilor

Condiţionarea implicăSenzor de vibraţie pe 3 axe

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.

Condiţionarea implică

•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.

ADuM1100

Condiţionarea implică

•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

ISO120

Condiţionarea implică

• Liniarizare

Liniarizarea sursei de semnal: 1. Alegerea punctului de funcţionare 2. Conectarea unui element de circuit în serie sau în paralel 3. Utilizarea unor circuite cu caracteristică neliniară complementară

Liniarizarea blocului de condiţionare: 1. Utilizarea unor senzori cu variaţie complementară în puntea Wheatstone 2. Utilizarea unei punţi active (cu AO) 3. Folosirea unor circuite multiplicatoare analogice

Liniarizare prin soft: pentru semnale deja convertite în valoare numerică 1. Utilizarea unui fişier sub formă de tabel 2. Se caută forma analitică a curbei (dreptei) care aproximează cât mai mult valorile măsurate (metoda celor mai mici pătrate)

Circuite de condiţionareSCXI

•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

DAQ (SAD) HardwareInterfaţă între PC – MediuDigitalizează 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. automatizăriPlatforme I/O modulare USB portabile

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

Schema bloc a circuitului de intrare analogică

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

Module - PXI

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

Structură SAD cu masă comună

Structură SAD cu masă separată

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

Structură SAD pentru achiziţii simultane

Diagrama de timp pentru comanda circuitelor din SAD cu S/H pe fiecare canal şi CAD comun

Drivere şi softwarePC + 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

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

Magistrale folosite de NI

Caracteristici sistemelor DAQAnalog 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

ndomeniuq 2/

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 - -

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 hourppm 1000/

Analog OUT

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/O prin program

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

rezolutieevenimente 2

•Sursa, nivelul, panta (+ sau -)•Rezoluţie: nr. de biţi pt. nivelul tensiunii•Banda de frecvenţă

Analog

Digital •Compatibilitate •Timp de răspuns•Lăţimea impulsului

Tipuri de excitaţii (sursă de alimentare)

DSP procesor

•Tipul punţii: sfert, jumătate, completă •Rezistenţele pt. completarea punţii •Valoarea tensiunii (valoarea curentului) •Drift•Joncţiunea de referinţă (rece): tensiunea generată [mV/°C] •Precizie •Repetabilitate

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:

1. Prelucrare şi comandă 2. Corecţie a erorilor3. Crearea blocurilor virtuale4. Testarea blocurilor defecte

Atenuator

Amplificatorcu

câştigreglabil

1. Prelucrare şi comandă

Filtre, CAD, Multiplexoare

2. Corecţia erorilor

AEUUk

AEUUk

AEUk

x

r

03

02

01

3

2

1

r

x

x

x

U

U

AEU

AEU

UU

UU

0

0

12

13

3. 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

Schema bloc generală

Punte RLC 4262

Voltmetru FLUKE 8500A

Voltmetru HP3455A

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

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

sbb vgIi 0

Standarde: 2-10mA 4-20mA

Caracteristici transmisiilor digitale

Transmisii paralele:

Transmisii seriale:

•un octet este transmis simultan •viteză mare•protecţie la perturbaţii•distanţă mică

•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

Direcţia de transmisie: •Simplex •Duplex

Modul de legare a instalaţiilor: serie, stea, tip internet

Suportul fizic: conductoare, fibre optice, fără fir

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

Coduri pentru transmiterea datelor

Interfaţa GPIB (General Purpose Interface Bus)

1965 Hewlet-Packard conectarea instrumentelor programabile

Lucrează cu semnale TTL în logică negativă Permite conectarea a 15 aparate (adresă proprie) pe o lungime max. de 20m Capacitatea de transfer a informaţiei max. 1Mbyte/s, depinde de viteza aparat.

Semnale şi linii GPIB 24 linii = 16 linii de semnal + 8 linii de masă

¤ Magistrala de date ¤ Magistrala de control al transferului ¤ Magistrala de control al interfeţei

•Magistrala de date: -8 linii bidirecţionale DIO1-DIO8 -rezultatele măsurătorilor, stările aparatului, instrucţiuni

de programare, date de tipărit, afişat

•Magistrala de control al transferului: handshake NRFD (not ready for data)- activ când disp. sunt gata pt. primirea octetului

de pe MD. Comandat de ascultător – comenzi vorbitor – validează protocolul

NDAC (not data accepted)- activ când disp. au recepţionat octetul Comandat de toate aparate – comenzi

ascultători – mesaje DAV (data valid)- activ când sursa a pus pe MD octetul transmis

Comandat de controller – comenzi vorbitor – date, rezultate măsurătorilor

•Magistrala de control al interfeţei: administrează fluxul de date ATN (attention)- emis de coordonator (controller) ATN=L mesaje de interfaţă (desemnarea vorb., asc., validarea interogării) ATN=H rezultate, date citite

IFC (interface clear)- emis de coordonator pt. a iniţializa bus, aparatele

REN (remote enable)- emis de coordonator pt. a plasa aparatul adresat prin MD în mod local sau la distanţă

SRQ (service request)- cerere de întrerupere de orice dispozitiv

EOI (end or identify)- vorbitor – sfârşitul mesajului coordonator – pt. a primi de la ap. răspuns la o

interogare paralelă de identificare

Dezvoltarea standardului GPIB

IEEE 488.1 - simplifică interconectarea aparatelor dif. producători - specificaţii mecanice, electrice şi protocoale hardware - cablu standard - nu oferă formate pt. adrese, rapoarte de stare, configurare

IEEE 488.2 - elimină deficienţele (format, erori, protocoale) software - compatibil, sigur, eficient şi fiabil

SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) - defineşte comenzi specifice dispozitivului care standardizează

programarea instrumentelor - mai uşor de programat şi de întreţinut

HS 488 - protocol handshake pt. GPIB - creşte viteza de transfer a datelor- toate instrumentele trebuie să fie compatibile

Interfaţa HART

HART High Adressable Remote Transducer traductoare inteligente

Comunicaţie bidirecţională simultan şi analogic şi digital - valoarea măsurată – analogic 4-20mA - comenzi – digital FSK (Frequency Shift Keying)

“1” 1200Hz“0” 2200Hz

Bucla HART

Buclă analogică de curent

Modem Amplificator receptor Sursă de tensiune Sursă de curent cuplat la: -bucla de curent

-rezistenţă

Se completează cu:

Separarea semnalului analog şi semnalului HART (digital)

0-10Hz 400-800Hz

•Transmite senzorul (process transmitter): -cuplează sursa de curent (purtător de frecvenţă mare 1mA p-p) -R variaţii de tensiune amplificator recept. demodulator

•Transmite coordonatorul (HART Controller): -cuplează sursa de tensiune pe bucla de curent (500 mV p-p)-sesizează amplif. rec. demodulator

Structura unei instrucţiuni HART

SincronizareEroare

Nivelul semnalului

Mesaj de eroare

Diagrama bloc al traductorului cu HART

Network Interface – regulator de curent (două surse de curent) EPROM – memorarea parametrilor HART

UART – data serială data paralelă (microcontroller)

HART – se adaugă la circuitul analog de transmitere

Reţea HART

FI - Field Instrument – traductor cu HART – electric legate în paralel

Protocolul HART

Un dispozitiv HART comunică (transmite) - ceilalţi ascultă (recepţionează)

Master – trimite o comandă şi aşteaptă răspuns (1-2/ reţea)Slave – aşteaptă o comandă şi răspunde (15/reţea)

Adresa - 4biţi (15 adrese distincte pt. FI - EPROM) - comanda conţine adresa FI - FI cu adresa specificată răspunde

Viteză redusă 1200bps , Consum 2mW

ASI = Actuator Sensor Interface

ASI este un cablaj elastic “inteligent” pentru automatizări care înlocuieşte cablajul paralel tradiţional. Un cablaj flexibil, uşor de instalat, de întreţinut, de configurat, compatibil cu CAN,PROFIBUS, Interbus, RS-485 şi RS-232.

AS-International – 1991 - 100 firme - 600 produse

Tehnologia AS-i standard IEC 62026-2 Cablu GALBEN

BUS pt. interfeţe digitale seriale – dispozitive cu comandă numerică Dispozitive de comandă, controllere, PLC senzori, relee, butoane, valve

Transmite Semnale de control, configurare, comandă şi AlimentareTraductoare Inteligente

Legarea Traductoarelor

Proprietăţi

•Pot fi adresate 62 de senzori, actuatori •Durata unui ciclu 5ms •Poate detecta erori periferice – scurt circuit, absenţa tensiunii auxiliare,

suprasarcină şi localizează defectul•Cablu neecranat de lungime max. 100m, 8A•Conexiune, legare, demontare simplă plasare în orice poziţie•Erorile de transmisie se elimină prin repetiţie •Nu se folosesc module I/O •Cablaj redus •Compatibil cu produsele diferitelor firme•Instalare şi pornire rapidă, uşoară

CAN Bus (Controller Area Network)

•Magistrală diferenţială pe 2 fire cu comunicaţie serială, asincronă automobilelor

•Conectarea sistemelor în timp real realizate cu microcontrolere-controlul motoarelor-transmisie automată-reglarea frânării, antiderapajelor -preluarea şi procesarea datelor de la senzori- acţionarea electromecanismelor

•Avantaje: - configuraţie flexibilă - nr. neprecizat de noduri acţionare simultană - debit de biţi mare (1Mb) - modul de sleep/wake-up pt. reducerea puterii consumate - mecanisme suplimentare de detectare a erorii

•Două standarde de funcţionare: * viteză mică (20 noduri, 125kb/s)* viteză mare (30 noduri, 1Mb/s, 40m)

Transferul mesajelor

Module trebuie să aibă cel puţin o viteză de 20kb/s Lungimea cablului depinde de viteză (max. 1km)

Se utilizează 4 tipuri de cadre: - cadru de date (Data Frame - DF) - cadru de comandă la distanţă (Remote Frame - RF) - cadru de eroare (Error Frame - EF) - cadru de supraîncărcare (Overload Frame - OF)

Codul folosit: NRZ

Structura cadrului de date (DF)

SOF (Start of Frame) – bit de start AF (Arbitration Field) – câmp de arbitrare, 12biţi, conţine identificatori de priorit. CF (Control Field) – codul lungimii datelorDF (Data Field) – date transmise, 0-8 octeţi (0-64 biţi) CRC (Cyclic Redundancy Checks) - X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + 1ACK (Acknoledgment Error Checks) – emis de receptor – confirmarea datelor EOF (End of Frame) – bit de stop

Nivele de tensiune la transmiterea datelor

FIELDBUS

Reţea de comunicaţie digitală folosită în industrie Pentru a înlocui semnalul standard analog 4-20mA Este un bus bidirecţional, cu comunicaţie serialăLeagă dispozitive separate: traductoare, senzori, actuatori, controlere Dispozitiv “inteligent” – execută funcţii simple: control, diagnostizare

întreţinere, comunicaţie bidirecţională Înlocuieşte o reţea cu control centralizat control distribuit Foloseşte o pereche de fire torsadate Simplu, fiabil, uşor de utilizat, de întreţinut

Instrumentaţie virtuală•Aparate

•Instrumente

•Instrumente virtuale = hard (DAQ) + soft + PC -sistem complex de măsurare orice funcţie de măsurare -metode matematice, statistice pt. procesarea datelor -dezvoltare, modificare uşoară program -foloseşte avantajele calculatorului (putere de procesare mare, memorare, afişare complexă, transmitere la distanţă)-accesibilitate generală şi cost mai mic de 25%

Dezvoltarea VI