Sisteme de Achizitie de Date.sisteme Integrate de Masurare

6.1. INTRODUCERE. GENERALITĂȚI. CLASIFICĂRI

O importanța deosebită este acordată in zilele noastre utilizarii calculatorului in prelucrarea numerică a datelor disponibile in urma masurării unor parametrii fizici ai diferitelor procese industriale si nu numai. Calculatorul poate fii privit ca un sistem de prelucrare numerică constituit pe baza utilizarii unui circuit integrat pe scara larga de tip microprocesor, microcontroler sau procesor numeric de semnal. In majoritatea aplicatiilor se pune problema de a se obține informații despre aceste procese fizice in vederea memorării si redării pentru comunicatie sau pentru control. Un astfel de proces este caracterizat prin mărimi fizice care ulterior pot fii transformatein semnale electrice analogice utilizand traductoare. Prelucrarea acestor semnale se poate face utilizand tehnici analogice sau numerice. In vederea unei prelucrari numerice este necesara transformarea semnalelor in semnale numerice cu un sistem de achizitie date.

Sistemele de achiziție de date sunt sisteme complexe de supraveghere a unor procese in care intervin, de regula, mai multe mărimi fizice. Ele realizează prelevarea, prin intermediul unor traductoare adecvate, de semnale analogice sau numerice (in funcție de natura traductorului), in scopul memorării, transmiterii sau prelucrarii informatiei achizitionate. Memorarea poate fi făcuta direct sau dupa prelucrarea datelor, pe intervale de timp mai lungi, medii sau scurte. Transmiterea datelor e necesar a fi facută pe distante mai lungi sau mai scurte. .
    Prelucrarea informatiei poate consta in operatii simple (comparari), pâna la prelucrari matematice complicate (integrari, diferentieri, medieri, calcul de transformate Fourier, etc.). Scopul prelucrarii diferă de la caz la caz: comanda unui proces (industrial, militar, de cercetare), sau numai informare asupra evolutiei procesului prin vizualizarea datelor. Operația cea mai importanta este conversia analog – numerică, realizata cu unul sau mai multe circuite. In funcție de tipul aplicatiei mai pot fi necesare si alte circuite analogice de prelucrare. .
    Este necesară supunerea semnalelor, provenite de la iesirea traductoarelor, unor transformari primare si transformate in tensiuni electrice. Trasformări cum ar fi: atenuarea, filtrarea, amplificarea, izolarea, conversia tensiune-current, etc. sunt realizate la nivelul blocurilor de circuitelor de condiționare. Semnalele numerica se obțin prin prelevarea la un moment dat a valorii semnalelor analogice si conversia acestor esantioane in semnale numerice cu ajutorul circuitelor de eșantionare si memorare si circuitelor de conversie analog numerica. Funcțiile executate de sistemul de prelucrare numerica pot fi de filtrare numerica, identificare, reprezentare in domeniul frcventa, clasificare, etc. In urma acestor operatii numerice se obtin semnale numerice prelucrate care contin informații despre procesul fizic scopul fiind acela de a monitoriza, sau controla procesele. Semnalele electrice obținute vor actiona asupra elementelor de executie: motoare, relee, etc. Ce intervin in desfăsurarea proceselor pe baza buclelor de reglare.

Configurația si tipurile de circuite utilizate intr-un sistem de achizitie de date – SAD – depind de o serie de factori:

rezoluția si precizia cu care se cere realizarea conversiei A/N;

numărul de canale analogice investigate;

frecvența de esantionare pe fiecare canal;

capacitatea sistemului de prelucrare in timp real a datelor;

necesitatea conditionarii (adaptarii) semnalului analogic de intrare.

    Datele achizitionate pot fi:

analogice (tensiuni, curenți – continue sau alternative) si reprezinta, de regula, iesirile unor traductoare ce supraveghează marimile care intervin in procesul condus;

numerice, provenind de la traductoare cu iesire numerica sau de la alte echipamente implicate in desfasurarea procesului.

    SAD va fi prevazut deci cu un numar corespunzator de intrări adecvate acestor date:

intrari analogice;

intrari numerice.

    Alta operație frecvent intâlnita in SAD este esantionarea si memorarea temporara a esantioanelor prelevate. Frecvența de esantionare se stabileste in functie de:

spectrul de frecvență al semnalelor de intrare;

viteza de lucru a convertorului A/N;

precizia impusă procesului de prelucrare.

    O frecventa minimă si care permite determinarea parametrilor statistici ai semnalului este dublul frecvenței maxime din spectrul acestui semnal. Dacă se cere ca esantioanele prelevate sa reprezinte cu suficientă precizie un semnal continuu de la intrare, fara a mai calcula valori intermediare esantioanelor prelevate, frecvența de esantionare trebuie sa fie de cel putin 8…10 ori mai mare decât frecventa celei mai inalte armonici. Perioada de esantionare nu poate fi mai mica decât timpul de conversie.
    Inaintea esantionării, semnalele analogice sunt supuse unor operatii de adaptare cu sistemul de prelucrare, numite generic condiționare. Acestea pot fi:

amplificare/atenuare cu câstig programabil;

amplificare cu izolare galvanica;

comutare automată a intervalelor de masurare;

compresie logaritmica;

filtrare;

conversie tensiune – frecventa;

conversie curent – tensiune.

6.2. CLASIFICARI ALE SISTEMELOR DE ACHIZITII DATE

1. Dupa condițiile de mediu in care lucrează:

sisteme destinate unor medii favorabile (laborator),

SAD destinate utilizării in condiții grele de lucru (echipamente militare, instalatii telecomandate, anumite procese industriale, etc.).

2. Dupa numarul de canale supravegheate:

monocanal, cu una din variantele:

numai circuite pentru conversia directă a semnalului;

preamplificator urmat de circuitele de conversie;

preamplificator, circuite de eșantionare-memorare, urmate de circuite de conversie;

preamplificator, circuite de condiționare a semnalului si una din variantele anterioare;

SAD multicanal in una din variantele:

cu multiplexarea iesirilor unor convertoare analog-numerice, fiecare convertor corespunzând unui canal;

cu multiplexarea intrarilor circuitelor de eșantionare-memorare (S/H – sample and hold –engl.);

sisteme de achiziție destinate multiplexarii semnalelor de nivel scazut.

7. STRUCTURA UNUI SISTEM DE PRELUCRARE NUMERICĂ PENTRU CONTROLUL UNUI PROCES FIZIC:

Fig. 7.

7.1. SAD CU UN SINGUR CANAL (MONOCANAL)

    Este varianta cea mai simplă, conținând un singur CAN si având schema minimală din Fig. 7.1.b, in care:

CAN – convertor analog-numeric;

MT- memorie tampon;

DC – dispozitiv comanda.

Frecvența maximă a semnalului de intrare, la care variația semnalului de intrare pe durata unui ciclu de conversie Tc nu depăseste 1 LSB (Last Significant Bit- bit de semnificație minimă – engl.), pentru a evita erori grosolane, este:

unde N este numărul de ranguri binare al convertorului, Tc durata conversiei.

Fig. 7.1.a.

Sistemele cu conversie directă se folosesc când semnalul analogic ar trebui transmis printr-un mediu cu perturbații puternice si se amplaseaza direct lângă sursa de semnal.

Structura standard a sistemului de achiziție cu un semnal analogic de intrare:

Fig. 7.1.b

Componentele schemei bloc si functiile lor principale sunt:

– Traductorul: este compus din doua blocuri principale: elmentul sensibil si adaptorul. Elementul sensibil (senzorul) poate fi de tip parametric (inductiv,capacitiv, rezistiv, etc.) sau de tip generator (piezoelectric, termocuplu, tahogenerator). Adaptorul este circuitul care realizeaza transformarea primara in semnal electric cum ar fi: oscilatoare, amplificatoare de sarcina, punte Wheastone, etc. In actualitate exista tendinta realizarii de traductoare „inteligente” care sa contina si alte blocuri incorporate cum ar fi: filtre, circuite de esantinare si chiar de conversie analog-numerica. Semnalul generat este de natura electrica (tensiune sau curent) proportional cu marimea fizica masurata.

– Filtru de intrare: cuprinde un filtru trece jos cu rol de a eliminare a efectelor de aliere care rezulta din conversia analog-numerica a semnalului analogic.

– Circuite de conditionare a semnalelor: contine circuite care realizeaza prelucrarea analogica: amplificatoare, circuite de conversie analogica, circuite de izolare, etc. Daca este utilizat un amplificator cu castig programabil acesta poate permite marirea gamei dinamice a semnalului de intrare. Gama dinamica (G) poate fi exprimata in functie de valoarea maxima a semnalului de intrare Uimind rezultand:

– Circuite de esantionare si memorare: are rolul de prelevare de esantioane din semnalul de convertit in vederea conversiei analog-numerice. Frecventa semnalului de esantionare si memorare (SE/M) trebuie sa respecte conditia Nyquist din teorema esantionarii a lui Shannon:

fE/M › 2fUi

in practica aceasta frecventa se ia de 10 ori mai mare.

– Convertorul analog-numeric: realizeaza conversia analog-numerica a semnalului analogic esantionat. Infunctie de precizia si viteza de l;ucru a aplicatieise pot alege diferite variante: CAN cparalel, CAN cu aproximatii succesive, CAN serie-paralel, CAN delta-sigma, etc. Ingeneral circuitul trebuie sa fie capabil sa genereze catre SPN un semnal de sfarsit conversie (END CONV.) sisa fie controlat de SPN prin START CONV. Rezultatul conversiei apare sub forma unei segvente binare pe N biti.

7.1.1. SISTEME CU PREAMPLIFICARE SI CONVERSIE DIRECTA

    Tensiunile de intrare sunt in game standardizate. Modificarea acestei game se poate face prin modificarea factorului de amplificare al unui AO sau amplificator diferential instrumental pentru semnale foarte mici sau având o componenta de mod comun insemnata, ori amplificator de izolare cu cuplaj prin transformator sau prin elemente electrooptice, pentru separare galvanica.

7.1.2. SISTEME UTILIZÂND CIRCUITE DE ESANTIONARE SI MEMORARE

Fig. 7.1.2.

Aceste circuite asigura o crestere a vitezei de variație admise a semnalului supus conversiei, fară diminuarea preciziei.

PA – preamplificator;

CEM – circuit de esantionare – memorare.

Intre doua conversii succesive, CEM urmărește variațiile semnalului de intrare. Inainte de initierea conversiei, CEM este trecut in starea de memorare in care ofera la iesire valoarea momentană a semnalului de intrare de la sfârsitul etapei de urmarire. Starea de memorare se mentine pe toată durata conversiei. Astfel precizia CAN nu este afectată, indiferent de viteza de variație a semnalului de intrare si de tipul de CAN folosit. La eșantionare cu o frecvența prea scazută, in semnalul rezultat apare o componenta de JF suparătoare, denumita semnal alias, si care trebuie rejectat, prin filtrare.

7.2. SISTEME DE ACHIZITIE MULTICANAL

7.2.1. SISTEM DE ACHIZIȚIE DATE CU MULTIPLEXAREA SEMNALELOR ANALOGICE DE INTRARE.

Cuprinde o structură CEM-CAN la intrările căreia se conectează succesiv semnalele analogice de intrare prin intermediul unui comutator analogic (multiplexor analogic). Generarea intrărilor de selecție ale multiplexorului se face de către SPN , fiecare intrare selectată corespunzând unei adrese de selecție. Sunt utilizate pe scară largă circuite de multiplexare cum ar fi: MMC4053( MUX8:1), MMC4052 (2xMUX4:2)etc, sau multiplexarea integrată prezentă la generația nouă de CAN: ADC0808 sau ADC0816. Schema bloc a unei astfel de structuri și organigrama de semnale este prezentată în Fig. 7.2.1.a. Procesul de eșantionare este declanșat (Fig. 7.2.1.b.) la momentul t1 prin activarea semnalui S E/M corespunzător după ce în prealabil canalul dorit a fost selectat de semnalele SEL. Circuitul de eșantionare și memorare aflat în starea de eșantionare are acum accesibil la intrare semnalui Uik.Conversia este declanșată de către SPN prin activarea semnalului START CONV. La momentul t2 conform: t2-t1tap+ts. unde tap este timpul de apertură a CEM și ts este timpul de stabilizare a CEM [1]. Tot la momentul t2 multiplexorul comută semnalul de intrare u i,k+1 la intrarea CEM. Momentul se sfârșit al conversiei semnalului u i,k este evidențiat de coborârea în zero a semnalului END CONV.(timpul t3). Rezultă t3-t2=TC. unde Tc este timpul de conversie al CAN. Valoarea minimă a perioadei de achiziție se obține din relația:

TAC=K(tap+ts+TC+tac)

unde K este numărul semnalelor analogice de intrare.

Fig. 7.2.1.a

Fig. 7.2.1.b.

7.2.2. SISTEM DE ACHIZIȚIE DATE CU MULTIPLEXAREA IEȘIRILOR C.E.M.

Prezentând dezavantajul complexității constructive, această structură este construită pe principiul multiplexării eșirilor CEM. În acest sens fiecare canal va avea CEM-ul lui propriu. Achiziți se execută controlat de către SPN conform organigramei din Fig. 7.2.2a.

Fig. 7.2.2a.

Fig. 7.2.2.b

Procesul este Declan;at la timpul T1 prin activarea semnalului de memorare al lui CEMK.La momentul T2 ie;irea CEMK selectat este comutat la intrarea CAN. Începutul conversiei eșantionului prelevat din semnalul de intrare U I,K are loc la timpul T3 odată cu activarea lui START cu T3-T2Tsm , unde Tsm este timpul de stabilizare a multiplexorului. Conform teoriei de la pct. 1.3 timpul de achiziție se obține conform relației:

TAC=K(tsm+TC) unde K este numărul de canale

Există aplicații in care e necesară achiziționarea simultană, din mai multe puncte de măsurare, a unor date, intr-un timp relativ scurt. Schema care corespunde cel mai bine acestor cerințe este se da in Fig. 7.2.2.c.

Fig. 7.2.2.c.

Sursele de semnal analogic sunt conectate la câte un CEM. Comanda de trecere in starea de memorare este dată simultan pentru toate CEM, după care ieșirile acestora sunt multiplexate la intrarea CAN. Multiplexarea se poate face secvential sau cu adresare aleatoare. CEM trebuie sa aibă o stabilitate foarte buna a tensiunii memorate, având in vedere numarul de canale multiplexate (timp lung de multiplexare).

7.2.3.SITEME DE ACHIZITIE CU MULTIPLEXAREA IESIRILOR CONVERTOARELOR CU UN SINGUR CANAL

Fig. 7.2.3.

Este un sistem paralel (Fig. 7.2.3.), pentru fiecare sursa de semnal se utilizează câte un CAN, care nu ridică in mod deosebit pretul.

PA – preamplificator; P – procesor;

Avantaje fată de sistemele cu multiplexare analogică:

se pot folosi si CAN mai putin rapide, chiar pentru o viteză dorita mare de achiziție;

permit conversia locală, la locul de amplasare a traductoarelor, informatia fiind ulterior transmisă sub forma numerică, mai imună la perturbatii;

posibilitatea unei separari galvanice mai usoare a sursei de semnal impreună cu CAN aferent, fata de restul sistemului;

incluzând un bloc procesor local, datele numerice de pe fiecare canal pot fi prelucrate inainte de a fi multiplexate si transmise.

7.2.4. SISTEME DE ACHIZITIE DATE CU MULTIPLEXAREA INTRARILOR CEM

Este o structura mai simpla decât cea anterioara – Fig. 7.2.4.

Fig. 7.2.4.

Sursele de semnal sunt multiplexate la intrarea CEM, care va retine, de fiecare data, valoarea unui singur esantion in vederea conversiei. Pentru a optimiza timpul de achizitie, comutarea la urmatorul canal are loc pe durata starii de memorare a CEM pentru canalul precedent (conversie), la sfârsitul careia circuitul CEM este comandat in starea de esantionare, pentru preluarea semnalului canalului urmator, deja comutat. Sistemul este mai lent decât precedentele, dar mai ieftin.

7.2.5. SISTEME DE DISTRIBUȚIE DE DATE CU UN CANAL (SAU MAI MULTE PRIN MULTIPLEXARE) ANALOGIC LA IEȘIRE.

Datele odată procesate de un SPN pot fi utilizate pentru redarea unui rezultat care apoi poate fi memorat sau pot fi utile pentru o serie de comenzi externe în direcția închiderii unei bucle de reglare automată. Pentru acest lucru ieșirile numerice prelucrate trebuie întâi convertite în semnal analogic ca apoi să acționeze asupra elementelor de execuție. In general rezultatul prelucrării numerice este inițial memorat într-un registru paralel la momente care corespund frecvenței de distribuție a datelor. În general această frecvență este egală cu frecvența de achiziție. Schema bloc a unei astfel de structuri este prezentată în Fig. 7.2.5. extinsă prin multiplexare și pentru mai multe canale de ieșire. Filtru de ieșire realizează funcția de interpolare a semnalului de la ieșirea convertorului numeric analogic.

Fig. 7.2.5.

8. SISTEME DE MĂSURARE CU TEHNICA DE CALCUL

    Sistemele moderne de măsurare sunt numerice si ele pot fi concepute in una din formele:

sisteme cu tehnica de calcul incorporată;

sisteme de măsurare cu tehnica de calcul asociata.

    In prima variantă, putem vorbi de aparate de masurat numerice, cu o puternică sectiune de prelucrare numerica incorporată. Functiile partii numerice sunt subordonate functiilor de măsurare, existând si posibilitatea conectarii acestor aparate la un sistem de calcul exterior, prin magistrale de date standard cuplate la modulele de interfata ale aparatelor respective. Astfel de aparate pastrează denumirea aparatelor clasice cu aceleasi functii: osciloscoape digitale, generatoare de forme de unda arbitrare, analizoare spectrale, etc. Funcția de masurare este data, echipamentul incorporat este specific acestei funcții, inclusiv partea de prelucrare numerică, care poate fi mai mult sau mai putin extinsă si permite cresterea substantială a preciziei. Prin complexitatea sa, ea poate conferi aparatului o structura de calculator. .
    In a doua variantă, se folosesc module electronice asociate tehnicii de calcul, de regula un calculator. De cele mai multe ori aceste module sunt incorporate calculatorului, in conectoarele de extensie prevazute. Astfel de module poarta denumirea de module de achizitie de date. Destinatia ansamblului rezulta pe doua cai:

prin alegerea modulului compatibil cu tipul de semnale care se preiau din aplicația supravegheată prin intermediul unor traductoare adecvate;

prin asigurarea unor programe care sa rezolve tipul de masurare dorit, după algoritmi specifici. Programele folosite sunt dezvoltate de firmele producatoare de astfel de echipamente, fiind intr-o continua evolutie, in concordanța cu cea a echipamentelor hardware.

Actualmente, in tehnica masurarilor se folosește pe scara larga calculatorul personal. Structura unui astfel de sistem care foloseste tehnica de calcul in asociere, este redata in Fig. 8.
   

Fig. 8.

La realizarea unui sistem de achiziție de date computerizat se pot urmari etapele:

identificarea tipurilor de intrari si iesiri:

intrari analogice (temperaturi, presiuni, punti tensiometrice, tensiuni, curenti, semnale acustice sau vibratii, etc.);

iesiri analogice (tensiuni, curenti, generatoare de functii);

intrări/iesiri numerice (compatibile TTL, de tensiune ridicată c.c., c.a., comunicatie paralelă, comandă relee);

intrări/iesiri de temporizări (de frecventă, numărare evenimente si temporizare, masurări de durate de impulsuri, generare de trenuri de impulsuri);

alegerea metodei de conditionare a semnalelor:

pentru semnalele sensibile fată de zgomote, circuitele de condițioare (amplificări, izolare, filtrare) pot fi grupate in module speciale, plasate intre sursa de semnal si unitatea de calcul, având posibilitatea de a procesa concomitent un mare numar de canale;

la aplicatii cu numar redus de intrări si la care pretentiile de imunitate sunt mai reduse, condiționarea se poate realiza direct pe placa de achiziție sau cu module mai putin complexe;

la aplicații care nu necesită conditionare, aplicarea semnalelor se realizează direct, prin elementele de conectare: placi cu conectori, mufe BNC, alte accesorii;

alegerea modulului de prelucrare potrivit – se face in funcție de precizie, frecventă de achiziție, număr de canale, repetabilitate, expandabilitate, platforma de calcul de care se dispune, adică:

module de instrumentatie – asigură performanțe superioare ca timpi de stabilire, precizii garantate, viteze ridicate de esantionare, sincronizare multiplă, număr de temporizari si contorizari, conectori ecranati;

placi de achiziție de cost redus, cu număr de intrări redus si performanțe nu prea ridicate;

sisteme de achiziție portabile, folosite in mijloace care se deplaseaza, testări ale mediului, aplicații aerospațiale, etc.;

alegerea cablurilor de legatură si a accesoriilor pentru condiționarea semnalelor: pentru precizii bune, protecție fată de zgomote si conectare sigura la modulele de instrumentație se recomandă conductoare ecranate; in situatii de precizii reduse si cost redus se pot folosi cabluri panglică;

alegerea metodei software de prelucrare – se face in functie de platforma de calcul de care se dispune, de tipul de magistrală cu care acesta este echipat, de functiile de calcul, instrumentele virtuale necesare; fiecare firma are dezvoltate sisteme software proprii, compatibile cu produsele hardware furnizate; se pot achizitiona parți de soft in functie de nevoi, care sa acopere necesitatile si sa