Sistemas de instrumentación

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<p>Prlogo</p> <p>7</p> <p>PrlogoUn sistema de instrumentacin es una estructura compleja que agrupa un conjunto de instrumentos, un dispositivo o sistema en el que se mide, unas conexiones entre estos elementos y por ltimo, y ms importante, unos programas que se encargan de automatizar el proceso y de garantizar la repetibilidad de las medidas. El objetivo final, que no debe perderse de vista, del proceso de automatizacin de las medidas es el aumento de la calidad. Esta calidad puede entenderse desde el punto de vista del usuario del producto o del servicio que ha pasado por el proceso de prueba o desde el punto de vista del ingeniero que desarrolla, pone en marcha y mantiene el sistema de instrumentacin que realiza este proceso de prueba, y que cada vez con mayor insistencia debe ajustarse a estndares internacionales como la norma ISO 9000. Este libro se ha escrito pensando especialmente en el tipo de sistemas que se encuentran en departamentos de investigacin y/o desarrollo y para el control de la produccin, especialmente en control de calidad. Los sistemas que consideramos en mayor profundidad son los construidos en base a instrumentos comerciales que se unen mediante un bus digital que permite la programacin de las funciones de medida, el procesado de los datos y la presentacin de los resultados, lo que da lugar a lo que se ha denominado instrumento virtual. Para no perder generalidad y para enmarcar adecuadamente los temas centrales del libro hemos dedicado los dos primeros captulos a describir los objetivos, las estructuras y las funciones de los distintos tipos de sistemas de instrumentacin existentes. El resto de captulos se centran ya en sistemas construidos alrededor de buses estndar, en concreto IEEE-488 (conocido tambin por GPIB o HP-IB) y VXI, describiendo la arquitectura y funcionalidad de los mismos, las formas de programarlos y la forma genrica de las aplicaciones informticas que facilitan la tarea de desarrollar los programas de control y que conocemos habitualmente como instrumentacin virtual. La descripcin de los buses estndar de interconexin de instrumentos que suelen hacer los textos de instrumentacin es casi siempre muy somera (muchas veces por limitaciones de espacio), por lo que se limita a una descripcin mecnica y elctrica y a enumerar las caractersticas funcionales ms relevantes. Aquel ingeniero interesado en conocer ms profundamente el funcionamiento del sistema, ya sea como usuario avanzado o como diseador de aplicaciones, no tiene otra alternativa que recurrir al texto de las normas. En el presente libro hemos intentado una descripcin rigurosa pero didctica de los estndares. Aquel que necesite asegurar que su diseo, ya sea un equipo o una aplicacin informtica, cumple con el estndar no tendr otro remedio que acudir a l, pero el usuario avanzado que necesita comprender las razones del comportamiento de una determinada aplicacin encontrar en este texto el material suficiente para ello o para acudir a la parte</p> <p> Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.</p> <p>8</p> <p>Sistemas de instrumentacin</p> <p>del estndar requerida con suficiente base como para leerlo con provecho. La explicacin de los buses de interconexin de instrumentos, igual que la descripcin de buses de microprocesador, es una tarea que no se presta a ser desarrollada en un aula, sino que es ideal para el laboratorio. Por este motivo hemos desarrollado en paralelo con este libro un curso de laboratorio de instrumentacin virtual. Nuestra sugerencia para la docencia de esta materia es dedicar poco tiempo (4 a 6 horas) de pizarra para introducir los conceptos de sistemas de instrumentacin expuestos aqu y dedicar mucho ms tiempo (25 a 30 horas) al curso de laboratorio. Hecho de esta forma, el presente libro se deber usar como material de referencia y como tal se ha desarrollado. Este texto se ha escrito pensando en estudiantes de ingeniera, de ciclo corto o largo, que estn cursando materias de instrumentacin o cursos de laboratorio con instrumentos controlados de forma automtica. Tambin ser til a aquellos profesionales que trabajen con sistemas automticos de medida y que deban desarrollar aplicaciones de bajo nivel, no soportadas o suministradas por los fabricantes de los equipos o del entorno informtico de aplicacin.</p> <p>Los autores Septiembre de 1995</p> <p> Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.</p> <p>ndice</p> <p>9</p> <p>ndice</p> <p>1 Automatizacin de las medidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.1 Objetivos de los sistemas de instrumentacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Estructura general de los sistemas de instrumentacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Sistemas dedicados y de bastidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .</p> <p>11 12 13 14 15 17 17 21 23 25 29 29 30 30 31 33 35 36 37 38 38 39 42 43 43 44 46 47 50</p> <p>2 Arquitectura de los sistemas de instrumentacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.1 Estructura del hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Estructura del software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Sistema de direccionamiento de la seal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Tipos de instrumentos y buses de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .</p> <p>3 Sistemas basados en el bus IEEE-488 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.1 Introduccin histrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Aspectos elctricos y mecnicos (IEEE-488.1-1987) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Aspectos mecnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Aspectos elctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Transferencia de informacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Funciones de la interfase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Funciones bsicas de transferencia: AH y SH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Funciones de emisin y recepcin de informacin (T, L, TE, LE) . . . . . . . 3.4.3 Funciones que afectan al instrumento (DC, DT y RL) . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Funciones de peticin de servicio (SR y PP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.5 Funcin de controlador (C) y codificacin de las rdenes . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Cdigos, formatos, protocolos y comandos comunes (IEEE-488.2-1992) . . . . . . . . . 3.5.1 Requerimientos de la interfase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Registro de estado y peticin de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Sintaxis de los mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.4 Comandos comunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.5 Procedimientos comunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Realizacin de interfases IEEE-488.1 y .2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .</p> <p> Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.</p> <p>10</p> <p>Sistemas de instrumentacin</p> <p>4 Sistemas basados en el bus VME y VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1 Del VME al VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Especificaciones generales de la norma VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Descripcin de los buses VXI y VME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 El bus VME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Extensin del bus VME, el bus VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Modos de funcionamiento y arquitecturas del bus VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Tipos de dispositivos en un sistema VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Recursos del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Protocolos de comunicacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4 Arquitecturas de un sistema VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .</p> <p>53 53 54 54 55 56 59 59 61 62 63 65 66 69 70 72</p> <p>5 Comandos de medida normalizados. SCPI, ADIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.1 Modelo de instrumento segn la norma SCPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Sintaxis y estilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Comandos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Formato de datos: ADIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .</p> <p>6 Instrumentacin virtual. Programas de ayuda al diseo de sistemas de instrumentacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.1 Clases de instrumentos virtuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Lenguajes de control para sistemas de instrumentacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .</p> <p>75 75 78 83 83 84 84</p> <p>Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Libros y artculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Normas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Catlogos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .</p> <p> Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.</p> <p>Bibliografa</p> <p>83</p> <p>Bibliografa</p> <p>Libros y artculos[BUC92] BUCHLA, D.; MCLAHAN, W. Applied electronic instrumentation and measurement. New York, Macmillan, 1992.</p> <p>[COO95]</p> <p>COOMBS, C.F. JR. Electronic instrument handbook, 2a. Edicin, Nueva York, McGraw-Hill, 1995.</p> <p>[MAN94]</p> <p>MANUEL, A.; SNCHEZ, F,; SNCHEZ, J. "Controladores GPIB. Caractersticas y prestaciones". Mundo electrnico, 249, junio-julio 1994, pp. 32-36.</p> <p>[MER91]</p> <p>MERCAD, J. "SCPI normalizacin de comandos y datos en instrumentacin programable". Mundo electrnico, 220, septiembre 1991, pp. 62-67.</p> <p>[SYD89]</p> <p>SYDENHAM, P.H.; HANCOCK, N.H.; THORN, R. Introduction to measurement science and engineering. Chichester, Wiley, 1989.</p> <p>[JOH94]</p> <p>JOHNSON, G.W. LabVIEW Graphical programming. Practical Applications in Instrumentation and control, Nueva York, McGraw-Hill, 1994.</p> <p> Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.</p> <p>84</p> <p>Sistemas de instrumentacin</p> <p>Normas</p> <p>ANSI/IEEE Std 488.1-1987, IEEE Standard Digital Interface for Programmable Instrumentation The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 1988.</p> <p>ANSI/IEEE Std 488.2-1992, IEEE Standard Codes, Formats, Protocols and Common Commands; The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 1988, 1993.</p> <p>ANSI/IEEE Std 728-1982, IEEE Recomended Practice for Code and Format Conventions for use with ANSI/IEEE Std 488-1978; The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 1982.</p> <p>IEEE Std 1014-1987, IEEE Standard for a Verastile Backplane Bus:VMEbus; The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 1987.</p> <p>IEEE Std 1155-1992, IEEE Standard VME bus extensions for Instrumentation:VXI; The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 1992.</p> <p>Standard Commands for Programmable Instruments:SCPI, SCPI Consortium, La Mesa (CA), 1991.</p> <p>CatlogosNational Instruments, Instrumentation reference and catalogue 1995, Austin, Texas 1994.</p> <p>Intelligent Instrumentation, The handbook of personal computer instrumentation, Tucson, Arizona, 1994.</p> <p>Data Translation, 1993 Product Handbook: Data Acquisition and Image Procesing, Massachusetts, 1993.</p> <p>Keithley, Data acquisition &amp; control, Taunton, MA, 1991.</p> <p>IOtech, Products for the IEEE-488 BUS, Cleveland, OH, 1992.</p> <p> Los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.</p> <p>Automatizacin de las medidas</p> <p>11</p> <p>1 Automatizacin de las medidasLa imagen del tcnico o del cientfico, con bata blanca, manejando manualmente uno o varios instrumentos conectados mediante un amasijo de cables a una tarjeta de circuito impreso u otro dispositivo es una imagen ciertamente buclica pero poco representativa de la realidad de la instrumentacin electrnica actual. Con esto no queremos decir que esta imagen sea falsa, sino que los instrumentos que se usan de esta forma representan un porcentaje pequeo en el mercado global de la instrumentacin. El concepto bsico que subyace detrs del mundo de la instrumentacin es el concepto de calidad. La calidad puede entenderse desde el punto de vista del usuario o desde el punto de vista del tcnico de medida (test engineer). Desde el punto de vista del usuario, la calidad de un producto o servicio puede descomponerse en tres mbitos objetivos: la fiabilidad, la facilidad de mantenimiento y la disponibilidad [SYD89]. La disponibilidad es una cuestin de capacidad de produccin y canales de distribucin. La facilidad de mantenimiento es fundamentalmente una cuestin de diseo del producto y del servicio post-venta. La fiabilidad es la capacidad del producto para realizar una determinada funcin durante un intervalo de tiempo especificado. En la fiabilidad de un producto o servicio intervienen numerosos factores que impiden que sta pueda calcularse de forma simple. Por este motivo hay que recurrir a ensayos que nos permitan determinar si el producto es funcionalmente correcto y estimar estadsticamente la tasa de fallos. Estos ensayos consisten siempre en la aplicacin de estmulos (elctricos, mecnicos, entradas del usuario, etc.), la recogida de datos de las respuestas a los estmulos y la generacin de los informes que documentan la prueba. Este proceso no puede realizarse de forma manual. El motivo no es nicamente la cantidad de productos que deben ensayarse sino el ensayo en s mismo. Tomemos como ejemplo un sistema digital basado en microprocesador. Hacer una prueba funcional exhaustiva del sistema significara aplicar la totalidad de las entradas distintas posibles para cada uno de los estados posibles del sistema. La generacin de los estmulos (en e...</p>

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