Download - Achizitii de Date

7. Module pentru achiziii de date

Unitatea de nvare nr. 7MODULE PENTRU ACHIZIII DE DATE

Cuprins Obiectivele unitii de nvare nr. 7 7.1. Module de achiziie asincrone cu multiplexarea semnalelor analogice de intrare 7.2. Module de achiziie sincrone 7.2.1. Module de achiziie sincrone cu multiplexarea ieirilor circuitelor de eantionare memorare 7.2.2. Module de achiziie sincrone cu multiplexarea ieirilor convertoarelor analog numerice 7.3. Module multifuncionale de achiziie de date 7.4. Cartele NI de achiziii de date 7.5. Structuri de achiziii de date cu microcalculator 7.6. Lucrare de laborator Testarea unei plci de achizii de date Test de autoevaluare Lucrare de verificare unitatea de nvare nr. 7 Rspunsuri i comentarii la ntrebrile din testul de autoevaluare Concluzii Bibliografie unitatea de nvare nr. 7

Pagina 146 146 150 150 152 155 158 160 164 165 166 166 166 166

145 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE


OBIECTIVELE unitii de nvare nr. 7 Principalele obiective ale Unitii de nvare nr. 7 sunt: Cunoaterea elementelor componente i rolul acestora n cadrul unui modul de achiziii de date Cunoaterea tipurilor de module de achiziii de date i modul de funcionare al acestora nelegerea rolului unui modul de achiziii de date n prelucrarea numeric a informaiei

7.1. Module de achiziie asincrone cu multiplexarea semnalelor analogice de intrarePe magistrala de extensie a microcalculatorului se pot aduga o varietate larg de module rspndite n achiziia, prelucrarea, monitorizarea i controlul mrimilor. Modulele de achiziie de date pentru PC pot fi de intrare-ieire de uz general, de intrare-ieire numerice care pot efectua prelucrri primare nainte de a se transmite datele la calculator i module de ieire analogice. Modulele de achiziii de date, realizate de regul pe o singur placa imprimat multistrat (cartel), sunt construite pentru achiziie de date multicanal a mrimilor analogice i/sau numerice i cuprind circuite analogice cu funcii de prelucrare necesare pentru conversia datelor, circuite pentru conversia analog-numeric i circuite de interfa pentru transferul semnalului numeric rezultat din achiziie la sistemul de prelucrare numeric. Dac pentru achiziia datelor numerice problemele sunt relativ mai simple (o condiionare a semnalelor, multiplexarea numeric a canalelor), la achiziia mrimilor analogice se pun probleme mai complexe legate att de condiionarea precis a semnalelor (izolare, amplificare/atenuare, filtrare) ct i de regimul de achiziie asincron sau sincron. n general, n multe aplicaii industriale este necesar achiziia unui numr mare de mrimi, care variaz relativ lent n timp. Pentru aceste aplicaii s-au dezvoltat module de achiziie asincrone, care permit culegerea de date de la 4...64 canale de semnal utiliznd un singur circuit de eantionare-memorare (E/M) i un singur convertor analog-numeric (CAN) prin intermediul unui multiplexor analogic. Deci semnalele de intrare u1,i, (i = 1...m) sunt 146 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE

7. Module pentru achiziii de date multiplexate analogic, aplicate succesiv la amplificatorul programabil (AP) i apoi la intrarea circuitului de eantionare-memorare care reine, de fiecare dat, valoarea unui eantion n vederea conversiei succesive n cod numeric de n bii cu un convertor analog-numeric(CAN) (Fig. 7.1).

u1,1 u1,2...

u1,m

A

E/M

Start conv.

Stare conv.

Mag. date i control DMA

Logic de comand Adres canal

IRQ

Fig. 7.1. Structura unui modul de achiziie asincron

n acest proces, circuitul de eantionare-memorare realizeaz o dubl funcie: menine constant, n limitele de cel mult 0,5LSB semnalul achiziionat la intrarea

convertorului analog-numeric; permite o utilizare ct mai eficient a timpului de achiziie, comutarea urmtorului canal

putnd avea loc pe durata ct circuitul de eantionare-memorare se gsete n starea de memorare i tensiunea sa de ieire este supus procesului de conversie analog-numeric. Memoria tampon (FIFO) permite stocarea unui volum de date (de la 0,5kB la 1MB) pe timp scurt, pentru ca s fie transmise la calculator cnd magistrala este disponibil. Prin interfaa de magistral se deruleaz transferul de date de la modul spre calculator i transferul de date i semnale de control de la calculator spre modul. Prin semnalele de control calculatorul impune modulului de achiziie: frecvena de eantionare a semnalelor de intrare,adresa canalului ce urmeaz a fi achiziionat, amplificarea concret pentru canalul selectat i declanarea procedurii de eantionare/memorare/conversie analog-numeric.

Magistrala de date i control de pe placa de achiziie este de tip slave. Modulul nu dispune de alimentare proprie, el preia de pe magistrala ISA sau VME a calculatorului att tensiunile de alimentare ct i semnalul de clock. Transferul de date de la modul la calculator se poate derula n regim de ntrerupere IRQ (Interrupt ReQuest) a activitii procesorului sau, n cazul transferului masiv de date, n regim DMA (Direct Memory Acces), cnd transferul are loc sub supravegherea controlerului DMA al calculatorului, iar procesorul continu n paralel derularea sarcinilor curente.147 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE

Magistral PC

MUX Analogic

MAP E/M CAN

n

Mem.Tamp. FIFO

Interfa de magistral

7. Module pentru achiziii de date Diagrama temporal a procesului de achiziie multicanal asincron este reprezentat pentru cazul achiziiei circulare, ce reprezint un mod de lucru n care se culeg date de pe fiecare canal, ciclic, n ordinea u1,1, u1,2, ..., u1,m (Fig. 7.2).M

u1,1E/M Start conv. Stare conv. Date CAN Incarc FIFO

u1,2 tas te tm

u1,3

u1,4 t t t t t

TC

t1 t2

t3 t4 t5

t6

t

Fig. 7.2. Diagramele de timp ale unor semnale la achiziia asincron M - semnal aflat la ieirea multiplexorului, E/M - comanda circuitului de eantionare-memorare (E/M = 1 comand eantionarea, E/M = 0 comand memorare a semnalului analogic multiplexat), Start conv. - start conversie, Stare conv. - sfrit conversie.

Dac la t1, la ieirea multiplexorului este selectat canalul u1,1 i acest semnal este eantionat, la t1 se trece la memorarea acestui eantion. Conversia analog-numeric nu poate ncepe naintea ncheierii regimului tranzitoriu al circuitului E/M, caracterizat prin durata:t as t a t s(7.1)

unde ta - timp de apertur, cnd comutatorul electronic al circuitului E/M rmne nc nchis dup primirea comenzii de deschidere; ts - timpul de stabilire, n care la ieirea circuitului E/M se amortizeaz regimul tranzitoriu produs de ntreruperea circuitului de ncrcare a condensatorului de memorare, deci tensiunea la ieirea E/M devine constant. n momentul t2 ( t 2 t 1 t as ) se comand declanarea conversiei analog-numerice, care

are durata egal cu TC - timpul de conversie. La t3 convertorul analog numeric prin semnalul Stare conv. semnaleaz terminarea conversiei, data numeric (codul numeric corespunztor eantionului luat din u1,1) fiind valid148 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE

7. Module pentru achiziii de date pentru preluare, ceea ce se i ntmpl la momentul t5 prin ncrcarea datei n memoria tampon (FIFO). Imediat dup terminarea procesului tranzitoriu de trecere de la eantionare la memorarea eantionului ( t as ) multiplexorul poate comuta pe canalul urmtor (u1,2). Pn la terminarea conversiei primului eantion (t3) este timp suficient pentru ca noul semnal s se stabilizeze la ieirea multiplexorului (tm < TC, tm - timpul de stabilire al multiplexorului analogic). Astfel, imediat dup ncheierea conversiei analog numerice se poate comanda eantionarea urmtorului semnal, u1,2. Eantionarea necesit un timp minim (te), pentru ca tensiunea de pe condensatorul de memorare (din E/M) s ajung la valoarea instantanee a tensiunii de eantionat. Dup timpul minim necesar eantionrii, se poate comanda memorarea celui de al doilea eantion (momentul t6), dup care totul se deruleaz similar ca la eantionul anterior. Ciclul de achiziie al unui canal este cuprins ntre t1 i t6. Timpul de achiziie ta al unui eantion de pe un canal este: t a t as TC t e (7.2) Fiind un singur circuit de eantionare-memorare, eantioanele culese de pe diverse canale de semnal nu pot fi simultane n timp, deci eantioanele sunt culese n momentesuccesive, se spune c achiziia de date este asincron.

Cu modulul de achiziie asincron se poate realiza achiziia de date n trei moduri: achiziia monocanal, cnd din cele m canale se alege un singur canal de

semnal (permanent sau temporar) i se realizeaz o culegere de eantioane la rata de achiziie maxim a modulului. achiziia multicanal baleiat are loc dup un ciclu identic de ordine de

succesiune a canalelor. Dac toate cele m canale au semnale de intrare i toate trebuie achiziionate, timpul de achiziie multicanal (intervalul de timp ntre dou eantioane consecutive ale aceluiai canal) este: Tac mt a (7.3) Acest mod de achiziie este utilizat n cazul n care toate semnalele au prioriti identice i/sau au comportri dinamice similare.

achiziia multicanal cu selectare prin soft a canalelor este utilizat ncazul cnd un grup de canale au semnale de prioritate mai mare i/sau au comportare dinamic mult diferit fa de alt grup de canale. Ordinea de comutare a canalelor este impus prin programul existent n calculator.



De reinut !Modulul de achiziie a datelor cu multiplexarea semnalelor analogice la intrare are cea mai simpl arhitectur, deoarece utilizeaz pentru achiziia mai multor semnale analogice un singur CEM i un singur CAN. n acelai timp, deoarece se achiziioneaz serial cte un eantion din fiecare semnal prezent la intrare, acest modul este cel mai puin rapid n raport cu oricare alt structur de achiziie a datelor.

7.2. Module de achiziie sincrone7.2.1. Module de achiziie sincrone cu multiplexarea ieirilor circuitelor de eantionare memoraren arhitectura modulului de achiziii sincrone cu multiplexarea ieirilor circuitelor de eantionare memorare, se remarc amplasarea, pe fiecare canal de intrare a cte unui circuit de eantionare-memorare (E/M1,i) n amonte fa de multiplexor (Fig. 7.3).

E/M1,1

u1,1 u1,2...E/M1,2

U1,1 U1,2MUX Analogic

M

A

CAN Start conv.

n Mem. Tamp.FIFO

E/M1,m

A

Stare conv.

Mag. date i control DMA IRQ

u1,m

U1,m

Logic de comand Adres canal E/M ... E/M1,m 1,1 E/M1,2

Fig. 7.3. Structura unui modul de achiziie sincron cu multiplexare analogic

Circuitele E/M1,i (i = 1...m) de la intrare pot fi comandate cu semnale E/M1,i diferite pentru fiecare canal, cnd se obine o achiziie asincron, sau cu toate semnalele E/M1,i identice, cnd eantioanele se iau toate canalele n acelai timp rezultnd o achiziie sincron. Achiziia asincron cu acest gen de modul poate fi utilizat fie exclusiv pe toate canalele, fie selectiv pe anumite canale, pe altele fiind realizat achiziia sincron. Pe 150 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE

Magistral PC


7. Module pentru achiziii de date magistrala slave de date i control a modulului se vehiculeaz acelai gen de mesaje ca la modulele asincrone, adic date msurate, comenzi privitoare la canalul multiplexat, amplificarea particular pentru fiecare canal i mesaje de control privind declanarea unor secvene de funcionare. Transferul de date de la modul spre magistrala calculatorului poate avea loc n regim DMA sau n regim de ntrerupere IRQ. n diagrama temporal a procesului de achiziie sincron multicanal (Fig. 7.4), dupeantionarea simultan a canalelor de semnal n momentul t1 se declaneaz simultan la toate

canalele starea de memorare n care: circuitele E/M1,i rein eantioanele U1,i din acelai moment ale tuturor semnalelor, urmnd multiplexarea succesiv i conversia analog-numeric a eantioanelor. Dup selectarea canalului U1,1 i trecerea timpului tm, n momentul t2 se declaneaz conversia analog-numeric (Start conv.).care dureaz TC - timp de conversie, iar dup semnalul de terminarea conversiei (Stare conv. la t3), data N2,1 este valid i se transfer la momentul t4 n memoria FIFO. Simultan cu semnalul Stare conv. multiplexorul poate trece la urmtorul eantion U1,2, ca dup timpul de stabilire al multiplexorului tm s se declaneze conversia analog-numeric al cel de-al doilea eantion(t5).La ncheierea multiplexrii tuturor celor m canale de semnal se culege sincron un nou set de eantioane (E/M = 1) de pe toate canalele i dup timpul necesar eantionrii t e se repet multiplexarea i culegerea datei de pe primul canal.E/M

...M Start Con.v. Stare Conv.. Date CAN Inc. FIFO

te t U1,1 t t t t t

U1,1 tm TC N2,1 tm

U1,2 tm

U1,3

... ...

TC N2,2

TC ... N2,3 ... ... N2,1

t1

t2

t3

t4 t5

Fig. 7.4. Diagramele de timp ale unor semnale la achiziia sincron. M - semnal la ieirea multiplexorului, E/M - comanda circuitului de eantionare-memorare (E/M=1 comand eantionarea, E/M = 0 comand memorarea semnalului analogic multiplexat), Start conv. - start conversie, Stare conv. - sfrit conversie.


7. Module pentru achiziii de dateDou eantioane succesive ale aceluiai canal de semnal se pot culege n timpul de achiziie:

Tac t e m( t m TC )

(7.4)

De reinut !Modulul de achiziie sincron cu multiplexarea ieirilor circuitelor E/M are dou caracteristici importante: este mai rapid fa de modulele de achiziie asincrone i permite achiziia de date cu eantionare simultane n timp, fapt important n anumite aplicaii (msurarea puterii i a energiei electrice n domeniul acionrilor electrice, procesarea sunetului i a vorbirii n domeniul audio, etc.).

7.2.2. Module de achiziie sincrone cu multiplexarea ieirilor convertoarelor analog numericen acest caz fiecare semnal are propria cale de condiionare, eantionare-memorare, conversie analog-numeric, datele convertite n cod numeric fiind cele care vor fi multiplexate spre ncrcare n memoria tampon FIFO (Fig. 7.5).E/M1,1 CAN1,1

u1,1E/M1,2

U1,1

u1,2...

U1,2

CAN1,2

MUX Numeric

Mem.Tampon FIFO


u1,m

E/M1,m

CAN1,m

U1,mAdr.canal Start conv. Stare conv.1,1 Stare conv.1,2 Stare conv.1,m E/M Logic de comand i procesarea pe plac (DSP)

...

...

DMA IRQ

Fig. 7.5. Structura unui modul de achiziie sincron cu multiplexare numeric


Magistral PC

Mag. date i control

7. Module pentru achiziii de date La aceste module de achiziie semnalele de comand a eantionrii-memorrii (E/M) sunt unice (achiziie sincron), la fel comanda de declanare a conversiei analog-numerice (Start conv.) i fiecare convertor CAN indic independent terminarea conversiei analog-numerice (Stare conv.) iar multiplexarea numeric se produce doar dup ce i ultimul CAN a confirmat terminarea conversiei. Ciclul de achiziie a dou eantioane consecutive de pe acelai canal este practic independent de numrul de canale ale achiziiei multicanal, timpul de achiziie fiind:Tac t e t ap TC (7.5) timpul de stabilire al multiplexorului numeric fiind neglijabil n comparaie cu timpul de stabilire al multiplexorului analogic (deoarece timpul de stabilire al multiplexorului numeric este cu circa trei ordine de mrime mai mic dect cel al unui multiplexor analogic). Aceste module permit obinerea unei viteze de achiziie maxime, fiind varianta cea mai rapid i totodat cea mai scump, de achiziie de date i fiind indicate pentru procesare n timp real n cazul proceselor rapide printre care se pot meniona i acionrile electrice. Avantajele acestei structuri de sistem de achiziii de date sunt urmtoarele: pot fi utilizate convertoare CAN mai lente i deci mai ieftine, chiar dac

se dorete o vitez mare de achiziie; prin conversie local sub form numeric, se asigur o bun imunitate

la perturbaii; exist posibilitatea separrii galvanice a unei surse de semnal, mpreun

cu convertorul aferent, fa de restul sistemului. Aplicaii tipice de achiziie sincron cu multiplexare numeric sunt cele de semnale vocale sau semnale audio, aplicaii la care frecvenele de eantionare se afl pe o scar progresiv, fixabil soft.

De reinut !Modulul de achiziie de date cu multiplexarea ieirilor CAN permite obinerea unei viteze de achiziie maxime, realiznd o achiziie cvasi paralel a semnalelor de intrare. Acest modul, naintea multiplexorului, poate include pe fiecare canal cte o memorie tampon, sau chiar cte un procesor local, n cazul n care sursele de semnal analogic sunt rspndite pe o arie extins.


7. Module pentru achiziii de date Convertoarele analog-numerice utilizate de preferin pe modulele de achiziie cu multiplexoare analogice (Fig. 7.1 i Fig.7.3) sunt cele cu aproximri succesive fie n variant cu un etaj de 10...12 bii, fie n variant pipeline (paralel-serie) cu rezoluie de 12...16 bii, iar pe modulele de achiziie sincron cu multiplexare numeric (Fig. 7.5), cele cu supraeantionare cu modulaie sigma-delta, deoarece cu acestea se pot realiza rezoluii de 16...24 bii. Module de achiziii de date cu DSP (Digital Signal Processor). Microprocesoarele i microcontrolerele constituie elemente de comand i prelucrare, deosebit de utile n procesul de gestiune a achiziiei, de preluare i memorare a eantioanelor rezultate n urma conversiei analog-numerice. Eficiena lor, n ceea ce privete procesul de prelucrare evoluat a eantioanelor prelevate din proces, este ns mult mai redus. Pentru o supraveghere i monitorizare precis a unui proces, este de regul, necesar achiziionarea unor eantioane, care convertite n form numeric, au lungimi de 12 sau 16 bii. Folosirea unor algoritmi de prelucrare evoluat (filtrare numeric, analiz spectral, etc.) necesit execuia unor instruciuni de nmulire, adesea n virgul mobil, a dou cuvinte de doi octei, rezultatul fiind disponibil pe un cuvnt de lungime dubl. Asemenea algoritmi sunt cu greu implementai pe un microcontroler, cu consum mare de timp i de resurse. De aceea, o soluie eficient n a realiza prelucrri complexe asupra datelor const n utilizarea circuitelor DSP, specializate n execuia unor astfel de instruciuni. Procesoarele de semnal numeric DSP sunt circuite specializate pentru prelucrarea semnalelor, permind lrgirea considerabil a cmpului de aplicabilitate a tehnicilor numerice n domeniul achiziiilor de date. Modulele de achiziie sincron cu multiplexor analogic i mai cu seam cu multiplexor numeric, dedicate pentru procesare de date n timp real, pot include n acest scop pe placa imprimat i un circuit integrat VLSI specializat - procesorul numeric de semnal (DSP). Procesoarele DSP au revoluionat esenial domeniul implementrii n timp a algoritmelor DSP, pentru funciile de baz de filtrare numeric (IIR/FIR), i de analiz spectral (prin tehnici de tip transformare Fourier rapid FFT), pentru care sunt comune operaiile repetitive de tip MAC (multiplicare i acumulare) etc. Doar cteva firme s-au implicat n tehnologia DSP: Texas Instruments (TI), AnalogDevices (AD) i Motorola, fiecare dezvoltndu-i o filozofie proprie

Procesoarele DSP cele mai reprezentative ale firmei Texas Instruments: TMS320 Cx, cu x = 10; 20; 50 - procesoare cu virgul fix i cu x = 30; 40 - procesoare cu virgul mobil. 154 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE

7. Module pentru achiziii de date Modulele de achiziie sincron cu multiplexarea ieirilor convertoarelor analognumerice i echipate cu procesor DSP sunt cele mai performante ca dinamic, vitez, rezoluie, dar sunt i cele mai scumpe, din care motiv, asemenea module se construiesc cu 2 sau 4 canale de semnal. Astfel de caracteristici le fac s fie ntlnite n aplicaii speciale care necesita prelucrarea numeric a semnalelor cu vitez superioar celei pe care o poate asigura calculatorul, cum ar fi ncercarea la vibraii a diferitelor construcii, maini i instalaii, procesarea imaginii, analiza vocii i vorbirii, telefonie, aplicaii n acustic, cercetri medicale, msurri de distorsiuni i conducerea n timp real a proceselor rapide i deci i a acionrilor electrice.

7.3. Module multifuncionale de achiziie de datePe lng achiziia de semnale analogice exist module (Fig. 7.6) conectabile la magistrala de calculator care ndeplinesc i alte funcii importante n aplicai.

nMUXAnalogic

A A

E/M E/M

CAN

Mem. Tamp. FIFO

Adr.canal

conv.

Start

Stare conv.

Interfa de magistral Bus IF

Conector I/O

Ieiri numerice Magistral de date i control Intrri numerice FIFO CNA Control i temporizare CNA Calibrare CNA Interfa IRQ

CNA1 CNA2

Fig. 7.6. Structura unui modul de achiziie multifuncional.


Magistral PC

Numrtoare Temporizatoare

Control achiziie i conversie

Interfa DMA

7. Module pentru achiziii de date Aceste module de achiziie multifuncionale pot realiza: temporizarea unor aciuni (ieiri numerice), numrarea de evenimente aleatorii i msurare de frecven (intrri numerice), declanarea (trigger) de aciuni pe baza comparaiei numerice (prin cuvntul de declanare) sau analogice (intrri), generarea de semnale analogice sub form impus prin program (ieiri). Schimbul de date i comenzi cu calculatorul are loc prin interfaa de magistral (Bus IF), transferul de date fiind realizat sub coordonarea interfeei DMA sau de ntreruperi IRQ. Semnalele analogice de intrare aplicate la conectorul de intrare-ieire (I/O) sunt

multiplexate spre circuitul de eantionare-memorare (E/M) pentru ca eantioanele culese s fie convertite analog-numeric i memorate n FIFO alocat CAN. Semnale analogice de ieire, sunt n general n numr de dou canale i servesc la

furnizarea de tensiuni analogice de frecven i form arbitrare, sintetizate numeric. La indicaia calculatorului coninutul de eantioane din care se va construi curba analogic se ncarc n memoria FIFO a CNA, coninut care va fi rulat ciclic (pentru generare de semnale periodice), pe durata impus, temporizat (generare de pachete finite de curbe) sau o unic secven de curb la frecvena impus de circuitul de control i temporizare al CNA. Tensiunile de ieire sunt generate de convertoarele numeric-analogice CNA1 i CNA2, filtrate cu filtre adaptive antialias. Precizia ridicat a amplitudinii tensiunilor generate este garantat de calibratorul CNA, care reface periodic autocalibrarea convertoarelor numeric-analogice, aducnd corecii de offset, de liniaritate i de amplificare. Semnale numerice de intrare, TTL sau CMOS compatibile (exist i posibilitatea

acceptrii altor nivele, prin optocuplare - la alte modele) sunt utilizate pentru receptarea unor evenimente, msurarea de frecven sau alte mrimi convertite n prealabil n frecven, numrarea de evenimente aleatoare. Toate aceste posibiliti sunt asigurate de numrtoarele de rezoluie mare (pn la 24 bii) i de controlerul de achiziie. Prin conectorul de temporizare este posibil receptarea de impulsuri izolate, de cuvinte binare, n scopul recunoaterii i al declanrii (trigger) de achiziie, aciuni sau secvene de lucru. Semnale numerice de ieire, pot constitui cuvinte de stare adresate unor utilizatori legai la

conectorul I/O, comenzi numerice pentru control sau semnale de protocol. Circuitul de numrare-temporizare permite declanarea achiziiei n regim pretrigger sau posttrigger, cnd modulul va achiziiona date dup (pretrigger) sau naintea i dup (posttrigger) apariia unei condiii de declanare interne sau externe. Totodat circuitul de numrare156 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE

7. Module pentru achiziii de date temporizare (conine 5...8 numrtoare) d posibilitatea de a temporiza declanri, conversii, semnale de ceas, etc. Aproape toate cartelele de achiziie avnd i funcia de culegere de date analogice prevd un numr 2m canale nedifereniale SE (Single Ended) sau m canale difereniale. Opiunea de selectare a modului de culegere a semnalului analogic este posibil datorit organizrii multiplexorului analogic de intrare (Fig. 7.7), care este divizat n dou multiplexoare MUX1,1 i MUX1,2 de cte m canale fiecare, urmate de un selector de mod de multiplexare i amplificatorul diferenial programabil A. Intrrile analogice se selecteaz prin cele dou multiplexoare validate de semnalele Activat MUX1,1, Activat MUX1,2 i comutatoarele electronice. u1,1 A u1,2 A...Selectare mod MUX MUX1,1

de

1Spre E/M

u1,m A

Activat MUX1,1 2

3

A A

u1,1 B u1,2 B...

1MUX1,2

u1,m BActivat MUX1,2

2 3

GNDFig. 7.7. Intrri multiplexate nedifereniale i difereniale

Msurarea n modul diferenial njumtete numrul de canale de semnal, dar se obine rejecie bun a zgomotelor de mod comun, problem foarte important la achiziii n mediu industrial sau la distane relativ mari.

De reinut !Module de achiziie multifuncionale pot realiza pe lng achiziia de semnale analogice i alte funcii importante n aplicai: temporizarea unor aciuni, numrarea de evenimente aleatorii i msurare de frecven, declanarea de aciuni pe baza comparaiei numerice (prin cuvntul de declanare) sau analogice, generarea de semnale analogice sub form impus prin program.



7.4. Cartele NI de achiziii de dateFirma National Instruments (NI) ofer o gam larg de dispozitive i de plci inserabile pentru culegerea datelor grupate pe funcii i categorii de performane. n cadrul fiecrei grupe, exista mai multe variante, fiind disponibile pentru diferite magistrale de PC: AT, PCI, PXCI, VXI, PCMCIA, serial, etc Cartele DAQ multifunctionale - seria E sunt printre cele mai frecvent folosite dintre

modulele DAQ inserabile. Tehnologia mbuntit a acestei familii reprezint o arhitectura hardware complet pentru achiziie de date, ce beneficiaz de cele mai recente progrese n domeniul electronicii i calculatoarelor, i mrete capacitile soluiilor de achiziie bazate pe calculatoare PC. Caracteristici generale ale modulelor de achiziii de date seria E: intrri analogice: 16 sau 64 intrri simple raportate la masa (RSE), 16 sau 64 de intrri

simple cu o masa comuna (NRSE), 8 sau 32 intrri difereniale (DIFF); reglare independent, pe fiecare canal, a gamei sau ctigului de intrare, eantionare

secvenial (aleatoare) a canalelor; declanare numeric; declanare analogic: sub sau deasupra unui nivel, nuntrul sau nafara unei zone,

depire sus sau jos cu hysteresis; ieiri analogice: dou convertoare numeric-analogice (DACs) multiplicatoare, cu

buffer dublu, ce se conecteaz la doua canale analogice de ieire ; numrtoare/temporizatoare comandate de DMA: dou, de 24 de bii; I/O numerice: 8 linii numerice de intrare/ieire; rata de eantionare: de la 20kS/sec pana la 5MS/sec per canal; domeniu de intrare: +/-42, +/-20, +/-10, +/-5V; rezoluia de intrare: 12 sau 16 bii. Cartele DSA sunt dispozitivele de achiziie i generare a semnalelor dinamice, plci

inserabile de nalt precizie, ce se folosesc n calculatoarele cu magistrala PCI, destinate testrilor n domeniul audio i telefonie, msurrilor de ocuri i vibraii n analiza zgomotului, etc. Cartele Low-Cost Multifunction sunt familiile de dispozitive de achiziie cu cel mai mic

pre ce beneficiaz de tehnologia avansat a seriei E, asigurnd achiziia pe 16 bii a datelor, pentru o gama larga de aplicaii, cu un cost mai redus dect seria E clasic. 158 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE

7. Module pentru achiziii de date Cartele cu ieiri analogice de curent sau de tensiune acoper

un spectru larg de

aplicaii, de generare a formelor de unda de mare vitez, de la cele elementare la cele complexe: ieiri analogice: 2, 4, 8, 6/10, 32, 96; rezoluie: 12, 16 sau 18 bii; rata de actualizare: 300kS/s sau 1MS/s; gama de ieire: 0-20mA, +/-5V, 0-10V, +/-10V; I/O numerice: 8, 16, 32; numrtoare/temporizatoare: doua, de 24 bii. Cartele cu I/O numerice (DIO) se folosesc n numeroase aplicaii ce includ sesizarea

unor strii a unor contacte (on/off), comutarea semnalelor i a tensiunilor de alimentare, interfaarea unui calculator cu echipamente externe, testarea dispozitivelor numerice de telecomunicaii, etc. Cea mai ieftin plac DIO este pentru magistrala ISA i are 16 canale, iar plcile DIO tip VXI de nalt performanta ofer 128 de canale. Rata maxima de date poate atinge 76Moctei/sec. Seria RT este compusa din placi DAQ speciale pentru aplicaii n timp real.

Ele ofer intrri i ieiri numerice i analogice n timp real, prezint o fiabilitate bun pentru msurri i automatizri. n acest scop, sunt prevzute cu cte un microprocesor independent (AMD 486 DX5 la 133MHz) ce ruleaz n timp real. Utilizeaz LabVIEW RT, pentru a genera aplicaiile nglobate specifice. Chiar daca calculatorul-gazd se blocheaz, dispozitivele RT continua s funcioneze, asigurnd rularea nentrerupt a aplicaiilor critice.

De reinut !National Instruments (NI) ofer o gam larg de plci inserabile pentru culegerea datelor grupate pe funcii i categorii de performane iar n cadrul fiecrei grupe, exist mai multe variante, fiind disponibile pentru diferite magistrale de PC National Instruments, leaderul n achiziia de date computerizat, ofer cea mai complex familie de echipamente pentru computere tip desktop sau portabile i pentru aplicaii n reele multi-platform, incluznd PCI, PXI, PCMCIA, USB i FireWire.



7.5. Structuri de achiziii de date cu microcalculatorMultitudinea i varietatea mrimilor electrice i neelectrice care fac obiectul achiziiei, msurrii, monitorizrii i controlului, precum i numeroasele aplicaii, au determinat elaborarea unor structuri hardware i software, care depind de: numrul mrimilor de intrare/ieire n sistemul de achiziie; dispunerea fizic n teren a surselor de semnal (concentrate sau distribuite); complexitatea prelucrrii datelor; vitez de procesare (on-line/off-line).

Se ntlnesc n aplicaii urmtoarele tipuri de structurii de achiziii de date: Structur autonom.

Microcalculatorul PC cu module de extensie I/O, module de achiziie multifuncionale, module DSP, constituie o unitate autonom, care asigur toate funciile din sistemul de achiziie: coordoneaz, proceseaz, afieaz, dialogheaz cu operatorul, elaboreaz date procesate utilizabile ulterior, memoreaz datele brute i datele procesate. Calculatorul autonom, cu module ataabile pe magistrala de calculator, module ce au funcii de aparate de msurare ca: multimetru, osciloscop numeric, numrtor universal, analizor spectral, analizor logic, etc., cu soft-ul adecvat, realizeaz structura funcional denumit instrument virtual.Instrumentele virtuale fac uz de traductoare i senzori pentru a intra n contact cu

mrimea fizica msurat, de eventuale circuite de condiionare a semnalelor, precum i de circuite pentru conversia analog-numeric. Diferena, n raport cu sistemele de msurare "clasice", este aceea c de aceast dat toate funciunile de prelucrare i analiz a valorilor msurate, de stocare a acestor informaii i de transmitere a lor ctre utilizator sunt realizate de calculator i nu de aparatura dedicat. Aplicaiile software nlocuiesc astfel componente estimate a reprezenta 80% din circuitele unui aparat de msurare sau testare specializat "clasic". Software-ul care realizeaz aceste funciuni posed n majoritatea cazurilor o interfa grafic avnd acelai aspect ca i cel al panoului frontal al unui aparat de msurare. Acesta este motivul pentru care aplicaiile respective sunt numite Instrumente virtuale. Instrumentele virtuale permit ca mai multe aparate de msurare sau testare specializate s poat fi nlocuite printr-o singura configuraie hardware de sistem de msurare computerizat, completat apoi cu diverse aplicaii software. 160 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE

7. Module pentru achiziii de date Facilitile oferite de hardware-ul de achiziie de date i control de proces nu ar putea fi puse n valoare fr existena unui software adecvat: LabVIEW. Mediul de programare grafica LabVIEW, de transmitere a informaiei prin intermediul diverselor protocoale de comunicaie specifice Internet-ului vor face posibil un salt calitativ n dezvoltarea utilizatorilor spre folosirea de laboratoare virtuale i spre monitorizarea i comanda la distan a proceselor. Structur de automatizare

Microcalculatorul PC utilizat n sisteme de automatizare acoper o gam larg de funcii, care pot include: interfaa om-main, prin care operatorul interacioneaz cu procesul; SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) - n care funciile de control sunt

asigurate de automate programabile (PLC), dar ele sunt monitorizate i supervizate de microcalculator; achiziia de date distribuite.

Microcalculatorul n structur de supervizor de procese industriale, este aceea n care fluxul de informaie (de achiziie) este ndreptat de la proces la calculator, iar informaiile privind aciunile de ntreprins (poziionarea referinelor la regulatoare, generarea de tensiuni analogice sau digitale pentru elementele de execuie) au sensul de la calculator la proces (Fig.7.8).MICROCALCULATOR

Modul de achiziie date

Interfa serial RS

Automat programabil

Magistral FIELD

Modul condiionare SCXI

Data Logger

Traductor inteligent

Achiziie Control

PROCES

Fig. 7.8. Microcalculatorul n sistem de automatizare de procese


7. Module pentru achiziii de date Monitorizarea i prelucrare de date, are loc prin una din urmtoarele variante (sau combinat): prin circuite de condiionare de semnal SCXI i modul de achiziie ncorporat n SCXI

sau chiar n calculator, informaia circulnd n ambele sensuri; prin adaptor de semnal (care este un sistem de sine stttor de culegere de date - Data

Logger) i interfa serial ce comunic cu calculatorul dup unul din standardele seriale RS; prin adaptoare de semnal, care produc date numerice despre mrimi (acestea pot fi

traductoare inteligente, adaptoare numerice individuale sau pe grupuri de mrimi de proces), datele se vehiculeaz prin intermediul sistemului Field Bus, un sistem de magistrale combinate, dezvoltat special pentru achiziie, monitorizare i control la procese plasate la distane semnificative n teren. Structur de msurare, testare i monitorizare automat

Testarea i msurarea automat este un alt mod de utilizare a microcalculatoarelor pentru achiziia i procesarea semnalelor (Fig.7.9).

MICROCALCULATOR

Modul de achiziie date

Interfa VXI/VME

Interfa GPIB

Modul condiionare SCXI

Achiziie Semnale de test

SISTEM TESTAT

Fig. 7.9. Microcalculatorul n sistem de msurare, testare i monitorizare


7. Module pentru achiziii de date Achiziia semnalelor din sistemul testat i generarea semnalelor de test, aplicate sistemului, are loc prin intermediul a trei principale ci i mijloace: semnale recepionate i condiionate n SCXI, eantionate i cuantizate n module de

achiziie de date (cu DSP) dispuse fie n asiul SCXI, fie direct n magistrala calculatorului; sistemul de msurare VXI cu aparate i funcii de msurare-condiionare-procesare

realizate dup principiul "instrument pe o plac" cu module standardizate, constituie alternativa cea mai nou n domeniul achiziiei i msurrii rapide (instrument virtual). VXI este o interfa standard, cu magistral de fundal dispus n asiu (cadru) autonom, fiind o extensie a interfeei VME. Legtura dintre cadru (subsistem) VXI i calculator se realizeaz cu interfaa standard pentru msurri (GPIB,MXI), sau general n comunicaii numerice (RS - 232 C, 422, 423, 485); aparate de msurare programabile autonome, specializate n msurarea unei mrimi

care sunt prevzute cu interfaa GPIB, pentru legtura de date la calculator. GPIB (General Purpose Interface Bus), adic interfa magistral de uz general, este standardul cel mai rspndit i unanim acceptat pentru sisteme de msurare (cunoscut i ca IEEE 488.2), mpreun cu standardul SCPI (Standard Commands forProgrammable Instruments) - care este o extensie a lui IEEE 488.2, definind setul de

comenzi de programare i sintaxa pentru funciile specifice instrumentelor.

De reinut !Sistemul de calcul pentru achiziia de date n condiiile n care aplicaia implic o combinare a achiziiei propriu-zise cu analiza i reprezentarea grafic a datelor, impune utilizarea unui hardware adecvat cerinelor. Utilizatorii de sisteme de msurare, monitorizare i control cu PC pot utiliza pachete software gata realizate, pentru a dezvolta aplicaiile lor, iar cnd nu dispun de pachete software specifice trebuie s dezvolte ei nii acest software, mai ales n cazurile cnd aplicaia este dedicat, necuprins n pachetele software de uz general sau pachetele soft disponibile, nu satisfac anumite criterii ale utilizatorului. Aceasta nseamn realizarea de software necesar pentru controlul plcii: programarea funciilor, controlul achiziiei, transferul datelor ntre cartela de achiziie i PC, numite Drivere, care sunt compatibile cu diversele interfee utilizator ce ruleaz curent pe PC ( Windows, Linux, etc.), sau realizatori software precum LabVIEW, LabWindows, etc. 163 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE


7.6. Lucrare de laboratorTestarea unei plci de achizii de dateSe va exemplifica testarea unei placi de achizitie de tip NI DAQ USB 6008. Pentru testare este utilizat programul Measurement & Automation Explorer, instalat odat cu placa de achiziie. Realizarea unui test de funcionare al placii de achiziie pentru un semnal de intrare de tip analog, se parcurg urmatorii pai (se exemplific pentru msurarea tensiunii la bornele unei surse etalon de cc): se deschide programul Measurement & Automation Explorer; se selecteaza, din lista device-urilor, placa de achiziie care dorim sa o testm (Fig.7.10);

Fig. 7.10. Selectarea plci de achiziie de tip NI USB 6008

se utilizeaz, pentru placa de achiziie selectat, comanda Test Panels (Fig.7.11); n fila Analog Input a ferestrei de test, se precizeaz: canalul pe care se face msurarea, din lista Channel Name - de exemplu Dev1/ai0

(canalul 0 de tip Analog Input al placii cu numele Dev1); domeniul (valorile maxim i minim ale tensiunii citite); rata achiziiei i nr de eantioane ce vor fi citite; modul de afiare al datelor (modul Finite, pentru exemplul prezentat); configurarea canalului (modul Diferential, pentru exemplul prezentat); se acioneaz apoi butonul Start.

Ferestra de test va afia valorile tensiunii masurate la bornele sursei de cc, conectate, pentru exemplul prezentat, pe canalul 0. 164 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE


Fig. 7.11. Fereastra Test Panels: NI USB 6008

Pentru configurarea n modul diferenial a unui canal de tip AI (Analog Input), de exemplu canalul cu index 0, se utilizeaz, pentru placa NI DAQ 6008, pinii AI0 (+) i AI4 (-), pinul de mpmntare fiind notat GND (se poate conecta borna + a sursei de cc la pinul AI0, iar borna - la pinul AI4, msurnd astfel tensiunea electromotoare a bateriei). Cea mai bun testare se va realiza prin msurarea realizat pentru valori nule ale tensiunii de intrare. Pentru aceasta se leag intre ele conectorii unui canal de masurare (analog input). Valoarea afiat n acest caz va fi foarte apropiat de zero (se va realiza astfel i o prim analiz a zgomotului indus de reea).

Test de autoevaluare1. Care este rolul unui modul de achiziii de date? 2. Care este structura unui modul de achiziii de date asincron? 3. Care este structura unui modul de achiziii de date sincron? 4. Care este structura unui modul de achiziii de date multifuncional? 5. Ce parametri definesc elaborarea unor structuri hardware i software de achiziii de date? 6. Ce tipuri de structurii de achiziii de date cu microcalculator se ntlnesc n aplicaii industriale? 165 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE


Lucrare de verificare la Unitatea de nvare 7Aceast unitate de nvare se va regsi n lista de subiecte pentru examen prin urmtoarele subiecte: 1. Modul de achiziii de date asincron: schem bloc, funcionare; 2. Module de achiziii de date sincrone: schem bloc, funcionare; 3. Modul de achiziii de date multifunctional: schem bloc, funcionare.

Rspunsuri i comentarii la ntrebrile din testul de autoevaluareRspunsurile la ntrebrile din testul de evaluare se gsesc n textul unitii de nvare.

Concluzii1. Sistemele de achiziii de date sunt cele care asigur: convertirea fenomenului fizic n mrime ce poate fi msurat; prelucrarea semnalelor generate de senzori n scopul extragerii de

informaii; analiza i prelucrarea datelor, prezentarea ntr-o form utilizabil.

2. Complexitatea sisteme de achiziie de date a crescut considerabil ajungnd la o structur care conine pe lng partea de achiziie propriu-zis o parte cu ieiri analogice, o parte de intrri i ieiri numerice, bloc de numrare i temporizare realizndu-se de fapt o structur de sistem de achiziie i control care utilizeaz prelucrarea numeric pentru controlul unor procese fizice sau la memorarea i redarea informaiei.

Bibliografie1. Dobriceanu Mircea; Traductoare, interfee i achiii de date; Notie de curs, Tipografia Universitii din Craiova, 2011 i format electronic postat pe http://www.em.ucv.ro 2. Dobriceanu Mircea; Sisteme de achiziie i microprocesoare, Editura Universitaria Craiova, 2003, p.304, ISBN 973-8043-289-8 166 TRADUCTOARE, INTERFEE I ACHIZIII DE DATE

Download - Achizitii de Date

Top Related