Sisteme achizitie si prelucrare a datelor(monitorizare si control).Stadiu actual.

Sisteme achizitie si prelucrare a datelor(monitorizare si control).Stadiu actual.

Evolutia sistemelor de achizitie si prelucrare a datelor cu calculatorul a fost influentata de progresul in tehnica integrarii circuitelor, evolutia rapida a structurilor hardware de calculatoare,aparitia unor noi sisteme de operare si software dedicate sistemelor de achizitie, evolutia generala a traductoarelor pentru masurare si tendinta spre senzori inteligenti, standardizarea in comunicatia datelor, dezvoltarea inteligentei artificiale. Cuplarea la calculator a sistemului de achizitie de date se poate realiza prin cuplarea pe interfata serie (RS232 sau RS485), cuplare pe interfata paralel,cuplare pe USB,cuplare pe magistrala interna a calculatorului(ISA, EISA, MCA, PCI, PCMCIA).

1.1 Generalitati si clasificari ale sistemelor de achizitii de date (SAD)

Sistemele de achizitie de date sunt sisteme complexe de supraveghere a unor procese in care intervin, de regula, mai multe marimi fizice. Ele realizeaza prelevarea, prin intermediul unor traductoare adecvate, de semnale analogice sau numerice (in functie de natura traductorului), in scopul memorarii, transmiterii sau prelucrarii informatiei achizitionate.
Memorarea poate fi facuta direct sau dupa prelucrarea datelor, pe intervale de timp mai lungi, medii sau scurte.Transmiterea datelor e necesar a fi facuta pe distante mai lungi sau mai scurte.
Prelucrarea informatiei poate consta in operatii simple (comparari), pana la prelucrari matematice complicate (integrari, diferentieri, medieri, calcul de transformate Fourier, etc.). Scopul prelucrarii difera de la caz la caz: comanda unui proces (industrial, de cercetare),informare asupra evolutiei procesului prin vizualizarea datelor sau realizarea unui unei baze de date cu toate evenimentele survenite intr-o anumita perioada de timp.
Operatia cea mai importanta este conversia analog - numerica, realizata cu unul sau mai multe circuite. In functie de tipul aplicatiei mai pot fi necesare si alte circuite analogice de prelucrare.
Configuratia si tipurile de circuite utilizate intr-un sistem de achizitie de date (SAD) depind de o serie de factori:

rezolutia si precizia cu care se cere realizarea conversiei A/D;

numarul de canale analogice investigate;

frecventa 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, curenti - continue sau alternative) si reprezinta, de regula, iesirile unor traductoare ce supravegheaza 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 intrari adecvate acestor date:

intrari analogice;

intrari numerice.

Alta operatie frecvent intalnita in SAD este esantionarea si memorarea temporara a esantioanelor prelevate. Frecventa de esantionare se stabileste in functie de:

spectrul de frecventa al semnalelor de intrare;

viteza de lucru a convertorului A/D;

precizia impusa procesului de prelucrare.

O frecventa minima si care permite determinarea parametrilor statistici ai semnalului este dublul frecventei maxime din spectrul acestui semnal. Daca se cere ca esantioanele prelevate sa reprezinte cu suficienta precizie un semnal continuu de la intrare, fara a mai calcula valori intermediare esantioanelor prelevate, frecventa de esantionare trebuie sa fie de cel putin 8.10 ori mai mare decat frecventa celei mai inalte armonici.

Perioada de esantionare nu poate fi mai mica decat timpul de conversie.
Inaintea esantionarii, semnalele analogice sunt supuse unor operatii de adaptare cu sistemul de prelucrare, numite generic conditionare. Acestea pot fi:

amplificare/atenuare cu castig programabil;

amplificare cu izolare galvanica;

comutare automata a intervalelor de masurare;

compresie logaritmica;

filtrare;

conversie tensiune - frecventa;

conversie curent - tensiune.

Clasificari ale sistemelor de achizitie de date:

Dupa conditiile de mediu in care lucreaza:

sisteme destinate unor medii favorabile (laborator),

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

Dupa numarul de canale supravegheate:

monocanal, cu una din variantele:

numai circuite pentru conversia directa a semnalului;

preamplificator urmat de circuitele de conversie;

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

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

SAD multicanal in una din variantele:

cu multiplexarea iesirilor unor convertoare analog-digitale, fiecare convertor corespunzand unui canal;

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

sisteme de achizitie destinate multiplexarii semnalelor de nivel scazut.

Circuitele de esantionare si memorare reprezinta mijlocul prin care se poate realiza primul pas in conversia datelor - discretizarea.

In acest caz nu este nevoie de multiplexor deoarece avem doar un canel de intrare; multiplexorul fiind un circuit de selectare a canalului dintr-o serie de mai multe canale.

1.2 Aspecte ale achizitiei si prelucrarii in timp real a proceselor energetice

Sugestiv, conducerea proceselor energetice, poate fi reprezentata printr-o piramida impartita pe diferite niveluri (figura 1.1).

Supravegherea se gaseste in "piramida conducerii proceselor" pe nivelul al treilea alaturi de conducerea procesului, ceea ce arata ca, practic, ele nu pot fi separate.

Figura 1.1 Nivelurile de conducere a proceselor industriale

Domeniul supravegherii proceselor industriale este destul de vast. Acesta contine aplicatii incepand cu simpla achizitie de date si pana la prelucrari foarte complexe:

analize statistice;

gestiunea elaborarii alarmelor;

ghid operator;

supravegherea actiunilor de conducere de catre operatori;

identificari de parametri si simulari;

supravegherea dinamica a raspunsului procesului etc.

La baza "piramidei" se situeaza operatiile de achizitie din proces a marimilor de intrare si de transmitere catre procesul supravegheat a comenzilor de actionare.

Functiile de baza ale unei aplicatii de supraveghere a unui proces sunt:

• comunicatia cu procesul;
• semnalizarea;
• comunicatia cu programele utilizate pentru prelucrarea datelor;
• interfatarea om-masina;
• gestiunea alarmelor;
• gestiunea rapoartelor.

Aplicatia in timp real realizeaza un sistem informatic, al carui comportament este conditionat de evolutia dinamica a starii procesului, la care este conectat. Sistemul informational este menit sa urmareasca sau sa conduca procesul, respectand conditiile de timp stabilite. Deci, timpul real este o notiune care marcheaza de fapt conceptul de timp de reactie relativ la dinamica procesului pe care sistemul informatic il conduce (supravegheaza).

Supravegherea in timp real a unui proces este o etapa necesara pentru trecerea la pasul urmator - conducerea procesului.Sistem in timp real este sistemul de automatizare complexa, cu calculatorul, a unor probleme de decizie, mai ales cu caracter operativ, in care timpul de raspuns este suficient de redus pentru a putea influenta in mod semnificativ si pozitiv evolutia obiectivului condus.

In figura 1.2 este prezentata schema simplificata a unui sistem de achizitie si prelucrare a datelor in timp real, destinat pentru supravegherea proceselor dintr-o retea electrica, care realizeaza:

culegere de date;

actualizare baza de date;

calcule conform unor strategii de conducere;

supraveghere si corectare on-line a regimului.

Sistemele de achizitie de date asociate cu microsistemele de calcul, in

timp real, au ca principale avantaje:

flexibilitatea si adaptabilitatea la o mare varietate de situatii;

cresterea gradului de automatizare a unor operatii;

marirea preciziei masuratorilor;

fiabilitate buna (numar redus de componente, posibilitatea de autotestare datorita programelor incorporate);

miniaturizarea echipamentelor;

posibilitatea prelucrarii complexe a datelor din proces;

simplificarea proiectarii electrice si tehnologice datorita existentei familiilor de componente cu interconectari standard.

1.3 Conditii impuse unui sistem de achizitie de date

Etapele principale ale procesului de prelucrare a informatiilor primare sunt:

1. achizitia semnalelor din proces;
2. adaptarea nivelului semnalului la valorile de intrare ale echipamentului de calcul;
3. conversia analog-digitala a semnalelor (precum si esantionarea/memorarea semnalului);
4. procesarea esantioanelor;
5. inregistrarea si afisarea (optional) a semnalelor achizitionate.

Figura 1.2 Schema unui sistem de achizitie si calcul, in timp real, pentru

supravegherea unei retele electrice.

I. Pentru obtinerea unor informatii corecte privind procesul supravegheat, mijloacele de masurare trebuie sa asigure determinarea frecventei tensiunii semnalului achizitionat, cu o precizie ridicata si ajustarea corespunzatoare a intervalelor de esantionare a curbelor de tensiune si de curent electric.

II. Deseori, achizitia datelor din proces se face prin intermediul transformatoarelor de masurare de tensiune si a transformatoarelor de masurare de curent. Utilizarea acestor transformatoare de masurare,drept convertoare de intrare (traductoare de semnal), prezinta un dezavantaj esential, acela al determinarii unui transfer deformat al datelor, de la nivelul de tensiune inalta spre bornele de intrare ale echipamentului de masurare.

III. Blocurile care asigura achizitia si adaptarea semnalului trebuie sa fie caracterizate de:

o buna rezolutie;

liniaritate a semnalului de iesire;

timp de raspuns redus.

IV. Esantionarea semnalului trebuie facuta avand in vedere teorema lui Shannon (teorema esantionarii), iar semnalul esantionat trebuie memorat si mentinut constant pe durata conversiei, pentru a asigura un numar suficient de esantioane pe o perioada a curbelor de tensiune sau de curent electric.

Conform teoremei lui Shannon, un semnal de variatie continua poate fi reprezentat de esantioanele sale daca:

f_e 2f_max (1.1)

unde:

f_e este frecventa de esantionare;

f_max - frecventa maxima a armonicilor semnalului in studiu.

Pentru o reprezentare cat mai corecta a semnalului, se recomanda ca,pentru reconstituirea semnalului, frecventa de esantionare sa fie de 8 10 ori mai mare decat frecventa maxima a armonicilor semnalului (fmax). In literatura de specialitate se recomanda ca numarul optim de esantioane pe o perioada a unei curbe de tensiune sau de curent electric sa fie de 128 esantioane/perioada, iar fereastra de esantionare sa fie de minimum 2T(doua perioade).

V. Alegerea convertorului analog-digital (CAD) trebuie facuta astfel incat sa aiba o viteza de lucru ridicata, pentru a permite reducerea erorilor de achizitie si sa asigure conversia marimilor analogice cu o rezolutie de cel putin 12 biti.

O atentie deosebita trebuie acordata echipamentelor care folosesc un singur CAD, unde eroarea datorata multiplexarii nu trebuie sa afecteze eroarea totala a aparatului.

VI. Achizitia marimilor de proces trebuie facuta permanent pe toate canale, iar procesarea si incadrarea in tipul de evenimente se face pe baza deciziei sistemului expert din blocul de intrare.

Cu alte cuvinte, sistemele de achizitie si analiza (prelucrare) a semnalelor necesita respectarea urmatoarelor conditii principale:

• utilizarea circuitelor de masurare si adaptare a semnalului, avand caracteristica liniara;
• izolarea galvanica a sistemului fata de proces;
• utilizarea, pe durata conversiei analog-digitale, a circuitelor de memorare a semnalelor esantionate;
• memorarea rezultatelor conversiei intr-o forma optima;
• validarea datelor obtinute din conversia analog-digitala si eventual estimari in cazul datelor nevalidate.

1.4 Arhitecturi ale sistemelor de achizitie de date

Ca rezultat a raspandirii largi, in ultimul timp, a calculatoarelor personale si a perfectionarii lor continue, marile firme producatoare de sisteme de masurare au cautat sa realizeze produse care sa utilizeze calculatorul personal pentru:

• achizitia de date din sistemele industriale;
• reglajul si supravegherea unor parametri sau instalatii (procese);
• realizarea unor mijloace de masurare cu performante ridicate.

In prezent, resursele calculatorului personal sunt utilizate pentru a efectua sarcini cum ar fi: comanda, gestiunea, prelucrarea si afisajul datelor, care altfel ar fi preluate de un microprocesor, plasat in interiorul instrumentului.

Instrumentul de masurare comunica cu PC-ul prin intermediul unei interfete care are in mod obligatoriu un convertor analog-digital. Instrumentul de masurare poate fi redus la o simpla cartela de achizitii de date pentru masuratori. In momentul de fata, prin tastatura calculatorului se poate comanda instrumentul de masurare, iar pe display pot fi vizualizate rezultatele masuratorilor, sub forma numerica sau sub forma grafica. Aceste rezultate apar ca urmare a prelucrarii datelor brute obtinute de la instrumentul de masurare de catre calculator, la cererea utilizatorului. De aici, rezulta aparate cu pret de cost mult mai scazut.

Un sistem de achizitie de date poate avea, in functie de destinatie si performantele cerute, diferite arhitecturi:

• multicanal cu multiplexare temporala;
• multicanal cu achizitie sincrona de date;
• multicanal cu achizitie rapida de date.

Pentru aceasta se considera un sistem "clasic" (sistem de achizitie de date cu multiplexare temporara), a carui schema bloc este prezentata in continuare (figura 1.3).

Oricare ar fi arhitectura folosita, exista cateva elemente hardware care nu pot lipsi si care vor fi evidentiate in cele ce urmeaza.

Elementul esential al oricarui SAD este convertorul analog-numeric(CAD), in jurul caruia sunt grupate, in conformitate cu arhitectura pentru care s-a optat, circuite de prelucrare analogica a semnalului, totul fiind separat de o logica de comanda. Aceasta din urma poate sa fie un microprocesor (care sa prelucreze informatiile achizitionate sau sa le transmita unui sistem master) sau o logica cablata, transferul informatiilor facandu-se de catre sistemul digital de prelucrare.

Figura 1.3 Schema bloc a sistemului de achizitie de date cu

multiplexare temporara.

In SAD prezentat in figura 1.3 diferitele surse de semnal logic sunt multiplexate la intrarea circuitului de esantionare si memorare, care retine de fiecare data valoarea unui esantion in vederea conversiei. Pentru o utilizare mai eficienta a timpului de achizitie, comutarea la urmatorul canal are loc pe durata cat circuitul de esantionare si memorare, al canalului precedent, se gaseste in starea de memorare si tensiunea sa de intrare este supusa conversiei. Aceasta solutie este cea mai ieftina, dar si cea mai lenta.

In aplicatiile in care datele trebuie achizitionate simultan din toate punctele de masurare si intr-un timp relativ scurt se utilizeaza arhitectura prezentata in figura 1.4 (sistem de achizitie de date multicanal cu achizitie sincrona de date).

Figura 1.4 Sistem achizitie date cu achizitie sincrona de date

Sursele de semnal analogic sunt conectate la cate un Circuit de Esantionare-Memorare (CEM). Comanda pentru trecerea in starea de memorare este data simultan pentru toate circuitele de esantionare si memorare, dupa care iesirile acestora sunt multiplexate la intrarea convertorului analog-digital. Multiplexarea se poate face secvential sau cu adrese aleatoare. Deoarece timpul de asteptare in vederea conectarii la intrarea CAD poate fi de lunga durata, circuitele de esantionare-memorare trebuie sa prezinte o rata redusa de alterare a tensiunii memorate. In unele sisteme se utilizeaza mai multe convertoare A/D, la intrarea fiecaruia fiind multiplexate iesirele unui anumit numar de Circuite de Esantionare-Memorare. Aceasta varianta va prezenta o viteza de achizitie marita.

Cea mai performanta arhitectura de sistem de achizitie de date multicanal este cea prezentata in figura 1.5, care utilizeaza cate un convertor analog-digital pentru fiecare sursa de semnal, precedat de elemente de adaptare a semnalului (EA) si circuite de esantionare si memorare (CEM).

Figura 1.5 Schema bloc a unui SAD rapid de achizitie de date.

Registrele tampon (bufferul) inmagazineaza temporar informatia ce urmeaza a fi transmisa multiplexorului numeric, care selecteaza datele primite si le transmite secvential pe magistrala sistemului de calcul. Avantajele acestei structuri de sistem de achizitie de date sunt, in principal, urmatoarele:

pot fi utilizate convertoarele analog-digitale mai lente si deci mai ieftine, chiar daca se doreste o viteza mare de achizitie;

structura avantajoasa in cazul aplicatiilor industriale, in care traductoarele sunt raspandite pe suprafata mare;

prin conversia locala sub forma numerica se asigura o buna imunitate la perturbatii;

posibilitatea unei separari galvanice a sursei de semnal impreuna cu convertorul A/D aferent, fata de restul sistemului;

prezenta procesorului local permite operarea primara asupra datelor, evitand sufocarea procesorului central.

1.5 Elemente functionale ale unui sistem de achizitie de date

In aplicatiile in care datele trebuie achizitionate simultan din toate punctele de masurare si cu viteza ridicata se utilizeaza arhitectura prezentata in figura 1.4 (sistem de achizitie de date sincron). Numarul ridicat de circuite de esantionare si memorare determina si pretul ridicat al acestei scheme.

Varianta cea mai performanta, dar si cea mai scumpa, este structura SAD rapid (figura 1.5). Acest sistem permite achizitionarea simultana a datelor de pe toate canalele. Prin conversia locala sub forma numerica se asigura o imunitate sporita la perturbatii. De asemenea, exista posibilitatea separarii galvanice a lantului analogic de restul sistemului.

Insa in majoritatea cazurilor, luand in consideratie raportul pret/performanta, se considera mai oportuna utilizarea unui SAD cu multiplexare temporara, schema bloc fiind prezentata in figura 1.3.

Acest sistem este compus din urmatoarele elemente functionale:

• convertoare de intrare (elementele de adaptare a semnalelor de proces precum si elemente de izolare fata de proces);
• circuit de multiplexare analogica;
• circuitul de esantionare si memorare;
• convertorul analog-digital;
• registrul tampon (bufferul);
• unitatea centrala (mP);
• interfata de conexiuni dintre SAD si PC.

1.5.1. Elemente de adaptare a semnalului

Elementele de adaptare a semnalului au rolul de a efectua o prelucrare primara si se refera in special la conversia curent-tensiune, filtrare si atenuare sau amplificare:

• conversia curent-tensiune: se realizeaza cel mai adesea prin simpla conectare in circuitul de curent a unui rezistor astfel ales incat tensiunea la bornele sale sa fie compatibila cu valoarea standardizata a tensiunii de intrare in convertorul analog digital.
• filtrarea: are drept scop inlaturarea tensiunilor parazite induse in conductoarele circuitelor de masurare. Evident, banda de trecere a filtrelor trebuie sa permita trecerea neatenuata a semnalelor utile si rejectia parazitilor. In acest scop se folosesc fie filtre trece-jos pasive, fie, pentru canale puternic perturbate, filtre active.
• atenuarea: se realizeaza fie prin divizoare rezistive, fie prin amplificatoare cu factor de amplificare subunitar. In cazul divizoarelor rezistive este foarte importanta stabilitatea si precizia acestora.
• amplificarea: se realizeaza cu amplificatoare cu castig variabil; factorul de amplificare poate fi comandat de un microprocesor sau reglat automat, chiar in interiorul lantului de masura.Toate aceste operatii care pot fi efectuate de elementele de adaptare poarta numele de conditionare a semnalului.

1.5.2. Convertor analog-digital

Convertorul analog-digital este componenta principala a oricarui sistem de achizitie de date. Aceasta componenta realizeaza transformarea tensiunii analogice intr-un cod numeric binar, care reprezinta valoarea numerica aproximativa a tensiunii de la intrare. Principala masura a acestei aproximatii este data de numarul de biti pe care se face conversia.

De regula, criteriile de alegere ale CAD sunt, in principal trei:

• timpul de conversie;
• precizia conversiei care cuprinde toate sursele de erori: histerezisul, eroarea de cuantificare, rezolutia etc;
• rejectia zgomotelor.

De exemplu, in cazul masuratorilor in retelele energetice la (f=50Hz), cel mai potrivit este CAD cu aproximatii succesive, care asigura viteze bune de conversie, precizie ridicata, numarul de biti alesi fiind un compromise intre viteza si precizie - convertor ce va fi prezentat in continuare.Metoda aproximarii succesive este cea mai raspandita metoda de realizare a conversiei analog-digitale in convertoarele cu rapiditate medie si ridicata. Insa, in comparatie cu CAD cu compensare dinamica, in CAD cu aproximatii succesive semnalul de iesire creste pana la nivelul semnalului de intrare pe perioada a n tacte (pentru convertorul cu n-biti). Ca rezultat, procesul de conversie ocupa un timp considerabil mai mic si, in afara de aceasta, timpul de conversie nu depinde de nivelul semnalului de intrare.

Figura 1.6 Convertor analog-digital cu aproximatii succesive.

a) Schema de structura simplificata;

b) Diagrama temporara a semnalelor;

c) Schema logica de functionare a CAD cu aproximatii succesive.

Aceasta metoda se bazeaza pe aproximatia semnalului de intrare cu codul binar si controlul ulterior a corectitudinii acestei aproximatii, pentru fiecare grad al codului, pana nu se va atinge cea mai buna aproximatie a valorii semnalului de intrare. La fiecare etapa a acestui proces valoarea binara a aproximatiei curente se memoreaza in registrul aproximarii consecutive (RAC).In figura 1.6 este data schema functionala a CAD cu aproximatii succesive cu n=3 si se prezinta principiul lui de functionare.Convertirea incepe cu initializarea valorii "1" a MSB in RAC. Aceasta corespunde primei evaluari a valorii semnalului de intrare cu jumatate din valoarea intregului diapazon. Comparatorul compara semnalul de iesire al CDA cu tensiunea de intrare si elibereaza spre controler o comanda de "golire" ("stergere") a MSB, daca evaluarea primara depaseste valoarea semnalului de intrare; in caz contrar aceasta valoare ramane memorata. In tactul urmator controlerul fixeaza valoarea "1" pe urmatorul bit, si din nou, reesind din nivelul semnalului de intrare, comparatorul "decide" de a memora sau nu starea acestui rang.Conversia se prelungeste in mod analogic, pana nu va fi verificat ultimul LSB. In acest moment starea memorata in RAC si in registrul de iesire este cea mai buna aproximatie binara a semnalulu i de intrare - acesta si este semnalul numeric de iesire ("cuvantul") al CAD.

1.5.3. Circuit de esantionare - memorare

Un circuit de esantionare si memorare realizeaza prelevarea valorii, de la un moment dat, a unui semnal analogic (tensiune sau curent electric) si memorarea acestei valori, figura 1.7.

In stare de esantionare, impusa de nivelul logic 1 al semnalului de comanda esantionare/memorare, circuitul de esantionare si memorare functioneaza ca repetor.Circuitele de esantionare si memorare se utilizeaza in sistemele de achizitie si distributie de date. Astfel, intr-un sistem de achizitie de date iesirea CEM este conectata la intrarea CAD. In intervalul corespunzator efectuarii unei conversii analog-numerice, circuitul de esantionare si memorare este comandat in stare de memorare pentru a mentine constanta tensiunea la intrarea CAD. Astfel, se obtine marirea valorii limitei superioare a domeniului de frecvente ale semnalului de intrare la care CAD este utilizat la rezolutia maxima, data de numarul de biti ai acestuia. Se precizeaza ca acest deziderat este atins daca tensiunea de la intrarea CAD nu se modifica in intervalul efectuarii conversiei cu mai mult de 1/2 LSB. In sistemele de distributie a datelor, circuitele de esantionare si memorare sunt utilizate pentru reconstituirea semnalelor multiplexate in timp.

Figura 1.7 Circuit de esantionare-memorare:

a) reprezentare functionala;

b) modul de aproximare a unei curbe prin esantionare.

De cele mai dese ori in sistemele achizitie de date sunt utilizate:

• circuit de esantionare si memorare in bucla;
• circuit de esantionare si memorare cu integrator.

Circuit de esantionare si memorare in bucla.

In timpul esantionarii, bucla din figura 10.8 permite eliminarea erorii de mod comun si a erorii de offset, iesirea fiind fortata sa urmareasca intrarea. Ca efect, tensiunea la bornele lui C, pe durata cat comutatorul este inchis, este egala cu:

cu un A foarte mare, la primul etaj, se obtine egalitatea intre Ui si Ue.

Figura 1.8 CEM in bucla

In acelasi timp, aceasta precizie este obtinuta in detrimentul rapiditatii deoarece pe durata memorarii amplificatorul A1 este inevitabil saturat, intoarcerea la functionarea liniara, pentru esantionare, face sa creasca timpul de achizitie, care poate atinge mai multe zeci de ms.

Circuit de esantionare si memorare cu integrator.

In figura 1.9 sunt prezentate doua montaje ale CEM cu integrator. In montajul din figura 1.9,a capacitatea C este izolata in raport cu masa, iar comutatorul functioneaza in comutatie de curent, comanda fiind simplificata. Insa, ca si in cazul precedent, primul amplificator este saturat pe parcursul memorarii. Pentru a depasi aceasta dificultate se adopta montajul din figura 1.9,b.

Figura 1.9 CEM cu integrator (a) si evitarea saturatiei (b).

1.5.4. Multiplexor analogic

Multiplexorul (MUX) analogic (figura 10.10) este ansamblu de comutatoare analogice cu n intrari (intre 4 si 16) si o iesire, comandat de un sistem logic care permite cuplarea uneia din intrari la iesire.

Multiplexorul analogic permite utilizarea unui singur convertor A/D pentru mai multe canale analogice. Utilizarea multiplexoarelor este o solutie economic viabila si in cazul semnalelor de intrare de nivel redus,pentru care multiplexarea se realizeaza cu costuri ridicate.

Elementul principal al MUX il constituie divizorul de comutare, care

poate fi realizat in mai multe variante constructive:

1. cu relee obisnuite;

2. cu relee cu mercur;

3. cu relee reed;

4. cu elemente semiconductoare (tranzistoare bipolare, diode

Schottky, tranzistoare J-FET, tranzistoare C-MOS).

Primele trei variante, utilizand elemente electromecanice, conduc la investitii initiale reduse, compensate insa de costuri ridicate de exploatare, fiabilitate si durata de functionare redusa. De aceea, utilizarea lor nu mai este recomandabila.

Figura 1.10 Organizarea unui multiplexor analogic

Fiecare tip de multiplexoare, realizate cu elemente semiconductoare, au unele performante mai avantajoase insotite de incoveniente mai mult sau mai putin surmontabile. Astfel:

• Comutatoarele cu diode rapide au timp de comutatie 1 ns, insa rezistentele reziduale (in stare inchisa si respectiv deschisa) Ron si Roff sunt mai dezavantajoase, in comparatie cu alte tipuri;
• Comutatoarele cu tranzistoare bipolare au timpi de comutatie mici si rezistente Ron reduse, dar necesita curenti de comanda importanti, iar Roff are o valoare relativ mica, ceea ce duce la "transparenta" mare a comutatorului;
• Comutatoarele cu J-FET au rezistenta Ron de ordinul zecilor de ohmi, timpi de comutatie medii, insa necesita circuite de comanda complicate;
• Comutatoarele cu tranzistoare complementare C-MOS, sunt cele mai avantajoase si cele mai folosite. Ele au timpi de comutatie satisfacatori, rezistenta Ron relativ mica si Roff - ridicata. In acelasi timp ele pot fi comandate foarte simplu, iar "transparenta" creste doar la frecvente inalte (10⁵-10⁸).

1.5.5. Registrul tampon (buffer-ul)

Bufferul (registrul tampon - memorie cu trei stari la iesire) reprezinta elementul de transfer informational dintre convertorul analog-digital si unitatea centrala, care va efectua stocarea si prelucrarea informatiei numerice.

Registrul tampon, al marimilor numerice rezultate din conversie, este de fapt un integrat care are iesirile legate in paralel la magistrala de date a sistemului.

1.5.6. Interfete de comunicatie

In cazul supravegherii proceselor si instalatiilor prin sisteme de masurare si achizitie de date utilizand calculatoare, cartele de achizitii de date etc, legaturile de comutatie pot prezenta diferite configuratii, dependente de mai multe considerente:

natura semnalului ce trebuie transmis;

destinatia acestuia (memorare, prelucrare sau comanda);

distanta la care trebuie transmis semnalul achizitionat;

frecventa de transmisie etc.

Datorita diversitatii s-a pus problema normalizarii acestor comunicatii, impunandu-se anumite tipuri de legaturi definite prin protocoale precise in ceea ce priveste modul de comunicatie intre sistemele de masurare sau prelucrare a datelor.

Pot fi enumerate doua tipuri de comunicatii:

legaturile serie (RS 232C / 422, CCITT V/24);

legaturile paralele (IEEE 488, GPIB, HPIB).

Fiecare tip de legatura de comunicatie este realizata prin intermediul unei cartele interfata.

Legaturile serie permit transmiterea datelor in serie, pe o singura linie care leaga cele doua sisteme. Cea mai utilizata norma pentru aceasta comunicatie, in momentul de fata, este norma RS 232C - utila pentru legaturile la mare distanta.

Legaturile paralele (cea mai utilizata fiind norma GPIB) sunt destinate unor viteze de transmisie ridicate, dar la distante limitate (max. 20m la GPIB fata de mai mult de 1km la RS 232C).

Legatura serie este un concept introdus de necesitatea de a controla un ansamblu tehnic cu elemente dispersate pe suprafete mari. Cel mai simplu sistem consta in efectuarea unei achizitii de date pentru masurari prin intermediul unor senzori, aceste date fiind apoi utilizate pentru a comanda diferite dispozitive de actionare.

Un exemplu practic, cand interfata serie este superioara interfetei paralele, este transferul de date la distante considerabile. Pentru un astfel de transfer interfata serie are nevoie de un singur fir, iar in cazul transferului paralel ar fi nevoie de, ca regula, opt fire.

Transferul printr-un singur fir are doua superioritati:

1. Este legata de faptul, ca pretul cablului si a "setului" formator de linie - receptor va fi considerabil mai mic, in comparatie cu pretul dispozitivelor tehnice in cazul echivalent, a configuratiei multicanale. Reiesind din aceasta, si mai ales in cazurile cand avem nevoie de transmisii la distante lungi, interfata seriala este considerabil mai economica decat cea paralela.
2. Transferul serie a datelor permite utilizarea sistemelor de comunicatii comerciale, de exemplu de reteaua telefonica obisnuita sau de canale standarde de transfer a informatiei numerice.

In figura 1.11 sunt prezentate schemele structurale simplificate a interfetelor serie si paralela. Pe ele se exemplifica, pentru fiecare tip de comunicare in parte, transferul unui simbol (cuvant) - 1011.

Figura 1.11 Schemele structurale simplificate ale interfetelor:

paralela (a) si serie (b) in cazul transferului unui cuvant - 1011

In cazul interfetei paralele, fiecare fir este destinat pentru transferul unui anumit rang al cuvantului (adica: MSB, LSB etc) - in asa mod, poate fi instantaneu determinat ce cuvant este transmis. Iar, in cazul interfetei seriale toate rangurile cuvantului sunt transmise pe un singur fir. Noi putem controla orice rang, cunoscand pozitia lui in sirul de date serie,precum si lungimea lui.

Pentru transferul unui simbol, canalul serie necesita un timp mai mare decat in cazul transferului paralel. Transferul unui simbol de n- biti, pe canalul serie, necesita cel putin de n- ori mai mult timp, decat la transferul lui prin interfata paralela.

Astfel, in functie de parametrii impusi sistemului de masurare se va opta pentru solutia optima (transfer serial sau paralel) pentru fiecare caz in parte.

1.5.7. Microprocesorul

Microprocesorul, fiind parte componenta a unitatii centrale de comanda a unui sistem de achizitie de date, trebuie sa realizeze urmatoarele functiuni:

• selectarea canalului analogic pe care se doreste a se face achizitia;
• comanda esantionarii;
• omanda conversiei CAD;
• sesizarea sfarsitului conversiei si citirea codului binar rezultat;
• incarcarea codului binar in memorie;
• corectia erorilor introduse de diverse blocuri componente;
• prelucrarea si afisarea datelor;
• testarea blocurilor componente defecte.

Alegerea microprocesorului si a circuitelor sale periferice este dictata de analiza structurii hard (constituita din componente de microinformatica, procesor, memorii, componente electronice clasice) si structurii soft in vederea asigurari cerintelor de viteza de masurare si de versatilitate ale sistemului.

Tot mai frecvent, in sistemele de masurare moderne se opteaza pe utilizarea procesoarelor de semnal. Procesoarele de semnal (DSP - Digital Signal Prcesing) sunt microprocesoare a caror arhitectura a fost optimizata pentru prelucrarea in timp real a semnalelor discrete obtinute prin esantionarea unor marimi continue. Arhitectura lor a fost astfel conceputa incat sa minimizeze durata de executie a unor algoritmi de prelucrare, cum ar fi:

• filtrarea unui semnal;
• convolutia (mixarea) a doua semnale;
• corelatia (compararea) intre doua semnale;
• rectificarea, amplificarea sau transformarea unui semnal;
• transformata Fourier rapida (FFT).

1.6 ESANTIONAREA SEMNALELOR

Deoarece semnale de interes practic sunt analogice, pentru a prelucra semnalele cu ajutorul procesoarelor numerice este nevoie de a le transforma in secvente, motiv pentru care se impune discretizarea variatiei lor in timp prin esantionare. Nu numai semnalele anaologice pot fi esantionate ci si cele discrete. Exista mai multe metode de a esantiona un semnal analogic. In continuare se considera cazul esantionarii periodice sau uniforme care este cea mai intalnita in practica. Aceasta este descrisa de relatia:

unde x[n] este semnalul discret obtinut prin retinerea valorilor semnalului analogic x_a(t) la fiecare T secunde.

Intervalul de timp T dintre doua esantioane succesive se numeste perioada de esantionare sau interval de esantionare. Inversa acestei marimi (1/T=F_s) se numeste viteza sau rata de esantioanare (esantioane /secunda) sau frecventa de esantionare (Hertz).

Esantionarea periodicica existenta unei relatii intre variabilele independente ale semnalului analogic si discret, adica intre t si n

deci, va exista o relatie intre frecventa F (sau)a semnalului analogic si f (sau ) a semnalului discret. Pentru a stabili aceasta relatie, se considera un semnal analogic de forma:

care este esantionat periodic cu F_s=1/T esntioane pe secunda si produce semnalul:

daca se compara cele doua relatii anterioare se observa ca frecventele F si f sunt legate prin relatia:

Domeniile in care pot lua valori marimile F si pentru semnalele analogice sunt:

in timp ce pentru semnalele discrete f si iau valori in domeniile:

rezulta respectiv

In cazul esantionari in domeniul timp a unui semnal analogic se prezinta in continuare esantionarea uniforma cu memorare si naturala.

In esantionarea ideala, modelul de extragere a unui esantion din semnal consta in inmultirea semnalului cu un impuls Dirac. Daca se considera cazul esantionarii uniforme, cu pasul de esantionare T=1/F_s, modelul esantionarii ideale se extinde la inmultirea semnalului analogic cu semnalul periodic , care este distributia Dirac periodica. In figura 1a. se prezinta un semnal analogic esantionat uniform, iar modelul matematic al esantionarii uniforme este prezentata in figura 1b.

Conform modelului, semnalul esantionat x_s(t) are expresia:

din x_s(t) se extrag valorile semnalului la momentele de timp ce ssunt multipli de T, la restul momentelor fiind zero. Aceste valori vor reprezenta esantioanele semnalului discret.

In sistemele de transmisie a informatiei care utilizeaza modulatia impulsurilor in amplitudine se utilizeaza o esantionare cu memorare. Dupa obtinerea esantionului x_a(nT) se genereaza un impuls cu amplitudinea egala cu valoarea esantionului si durata . Semnalul esantionat x_sm(t) se prezinta sub forma unui tren de impulsuri, cu perioada de repetitie T, modulat, in amplitudine cu valorile semnalului x_a(t) la momentele de timp nT. In figura 2a. se prezinta un semnal esantionat cu memorare pe durata , iar in figura 2b. modelul matematic al esantionarii cu memorare.

Esantionarea naturala sau cu urmarire corespunde operatiei de retinere a unor portiuni din semnalul de durata si distantate intre ele cu T. in figura 3a. este prezentata un semnal esantionat natural x_sn(t) iar in figura 3b.modelul mathematic al esantionarii naturale, care corespunde inmultirii semnalului cu un tren de impulsuri de amplitudine unitara, durata si interval de repetitie T.

In aceasta lucrare se urmareste ilustrarea a doua notiuni de baza in procesul de esantionare: eroarea de alias si reconstructia semnalului.

Spectrul semnalului esantionat ideal

Fie x_a(t) un semnal analogic aperiodic de energie finita, al carui spectru este:

Semnalul x_a(t) poate fi refacut din spectrul sau prin transformata Fourier inversa:

Se observa ca pentru refacerea semnalului sunt necesare componentele de frecventa dintr-un domeniu infinit.

Spectrul semnalului esantionat x[n] se calculeaza cu relatia:

sau

Semnalul x[n] poate fi refacut din spectrul X() sau X(f) prin transformarea inversa:

Pentru determinarea relatiei dintre spectrul semnalului analogic si al semnalului esntionat se foloseste urmatoarea relatie dintre variabilele independente t si n ale semnalelor x_a(t) si x[n], adica:

t-nT-n/F_s

se obtine:

si

Esantionarea periodica implica o relatie intre frecventele F si f corespunzatoare semnalului analogic si esantionat de forma:

f=F/F_s, unde F_s este frecventa de esantionare.

Rezulta relatia:

Aceasta relatie reprezinta legatura dintre spectrul X(f) a semnalului esantionat si spectrul X_a(F) al semnalului analogic. Spectrul semnalului esantionat este suma reprezentarilor periodice, cu perioada F_s, aspectrului semnalului anlogic scalat cu F_s.

Teorema esantionarii

Pentru a se putea stabili perioada de esantionare T, sau echivalent, frecventa de esantionare F_s optima pentru refacerea semnalului analogic din cel esantionat, trebuie cunoscuta frecventa cea mai inalta din spectrul semnalului analogic. In multe cazuri acest lucru este posibil. Uneori insa nu se cunosc astfel de detalii despre semnal (valoarea maxima a frecventei), scopul prelucrarii fiind chiar obtinerea acestora.

Daca semnalul analogic x_a(t) este de banda limitata, adica X_a(F)=0 pentru |F|>B, atunci x_a(t) este unic determinat de multimea esantioanelor sale , frecventa de esantionare este F_s≥2F_max=2B. Semnalul initial poate fi reconstituit utilizand o relatie de interpolare.

Un exemplu de functie de interpolare ideala este:

,

caz in care semnalul analogic x_a(t) este dat de relatia:

, unde sunt esantioanele lui .

Frecventa de esantionare F_N=2B=2F_max poarta numele de frecventa Nyquist.

Realatia anterioara poarta numele de formula de interpolare ideala pentru reconstructia semnalului analogic din esantioanele sale. Se observa ca in fiecare punct de esantionare la formarea semnalului contribuie o singura functie de interpolare. In intervalul dintre doua esantionari, la formarea semnalului contribuie toate functiile de interpolare.

Daca frecventa de esantionare este mai mica decat frecventa Nyquist apar erori datorate fenomenului de aliere a lobilor spectrali vecini. (eroarea alias sau fenomenul de aliere)

Eroarea de alias determinata de esantionare.

Deoarece in MATLAB nu este posibil a avea un semnal analogic, trebuie simulata axa t a timpului real (caracteristic semnalelor analogice).

Eroarea alias a unui semnal sinusoidal.

Fie semnalul analogic sinusoidal:

pe care il esantionam la F_s=1/T_s, pentru a obtine semnalul in timp discret:

 

Prezenta erorii alias ilustrata daca se reprezinta x n pentru diferite combinatii intre F₀ si F_s. Programul P5_1 ilustreaza procesul de esantionare:

1.7 Determinarea frecventei de esantionare a semnalelor

Cum s-a mentionat anterior, un rol important in proiectarea unui SAD il ale respectarea teoremei lui Shannon: frecventa de esantionare a semnalului, pentru a nu pierde informatii la reconstituirea sa, trebuie sa fie minimum dublul frecventei maxime din spectrul semnalului.

Deoarece, in realitate, conditiile in care s-a dedus teorema esantionarii nu pot fi indeplinite, frecventa de esantionare se ia, in mod uzual, de 5 10 ori mai mare decat frecventa semnificativa din spectrul semnalului:

In consecinta, se vor alege corespunzator elementele functionale ale sistemului de achizitie de date, astfel incat, corelat cu frecventa maxima din spectrul semnalului, sa rezulte frecventa de esantionare data de relatia precedenta.

Se calculeaza, mai intai, timpul necesar pentru prelucrarea informatiei aferenta unui esantion, ca o suma formata din timpii necesari pentru urmatoarele operatii:

• esantionare-memorare (tEM = timp de comanda + timp de achizitie)
• multiplexare (tEM = timp de comanda + timp de inchidere)
• conversie (tCAN = timp de comanda + timp de conversie analog numerica)
• memorare (tm = timp de citire a rezultatului + timp de stabilire a ordinului de marime).

Astfel, pentru un singur canal, timpul de esantionare rezulta:

Pentru un sistem de achizitie cu "n" canale, timpul de esantionare este:

Se determina apoi frecventa de esantionare:

si se verifica respectarea conditiei:

Pentru retelele sistemului energetic,care functioneaza la frecventa de 50 Hz, se poate considera, cu suficient de buna precizie,ca numai primele 40 de armonici au influenta in spectrele semnalelor de tensiune si curent. Frecventa maxima rezulta deci:

1.8 Stadiu actual.Solutii moderne

Planul cu schemele circuitelor electrice constituie baza tuturor aplicatiilor electrotehnice. In practica,conectarea aparaturii de comutare serealizeaza prin cablare. Cu ajutorul releului de comanda si control totul se reduce la o simpla apasare de taste, respectiv la lucrul confortabil cu un easy-soft pe PC. Introducerea datelor este u urata de un program simplu, tip meniu.

Releele de control vin cu o gama intreaga de posibilitati tehnice pt implementarea aplicatiilor cu privire in special la automatizare.O multime de echipamente cu functii diverse,posibilitati de conectare la retele si flexibilitate sporita sunt disponibile pt implementarea solutiilor potrivite.Ca exemple de functii diverse,un astfel de releu inteligent de control este in genere un releu multifunctional, este extensibil i poate fi conectat la sisteme cu magistrala standard.Poate fi releu de impuls,contor(inainte,inapoi,rapid,de frecventa),comparator ale valorilor analogice,ceas de comutare,comutare automata,poate sa memoreze valorile actuale.In plus,in structura sa contine mai multe blocuri functionale cum ar fi de ex:controler PID(proportional-integral-derivative),functii matematice,scalarea valorilor.Extinderea in retea poate fi centralizata sau descentralizata.

Extindere centralizata

Extindere descentralizata

Pt a sublinia avantajele utilizarii acestor solutii utilizand relee inteligente,la un sistem de automatizare care poate fi configurat individual pentru aplicatii de mica sau mare anvergura,este redus numarul de interfete necesare in hardware i in software. Functiile IT sunt deja integrate in automat.

Cu ajutorul software-ului s-au unificat intr-un singur instrument conceperea programului, configurarea, functiile de testare i de punere in functiune, inclusiv vizualizarea.