SISTEMELE DE ACHIZITIE A DATELOR - generalitati

Sistemele de achiziTie A datelor generalitati

1. Introducere

1.1. Definire

Un sistem de achizitie a datelor (SACHI) reprezinta un sistem de masurare cu urmatoarele caracteristici functionale: permite vizualizarea si/sau inregistrarea evolutiei temporale a mai multor marimi, analogice si/sau numerice; poate implementa mai multe regimuri de achizitie,ale caror principali parametrii sint programabili; permite prelucrari numerice, precum: controlul incadrarii in limite, 'condensarea' valorilor achizitionate, determinarea unor marimi caracteristice de sinteza, s.a.

1.2. Regimuri de achiziTie implementate de SACHI

1.2.1.Conditionare

Principalul criteriu folosit pentru gruparea regimurilor de achizitie pe care un SACHI le poate implementa il reprezinta categoria de fenomene fizice ce pot fi urmarite; s-au separat

urmatoarele categorii principale de fenomene:

fenomene elementare, descrise de cateva marimi (maxim 10..20), analogice si/sau numerice, lent variabile si fara probleme de cuplare (marimile analogice sunt iesirile unor senzori sau traductoare de tip electric, marimile numerice sunt definite de elemente electromecanice -butoane, relee-);

fenomene complexe si relativ stabilizate -la care sint interesante, pentru un interval impor-

tant de timp (sec..ore), valorile momentane si/sau valorile de sinteza ale unui numar important de marimi fizice (zeci..sute) ;

fenomene tranzitorii -la care intereseaza, pentru un interval de timp scurt(ms..s), evolutia corelata a mai multor marimi (2..16 -daca sint analogice, 8..100 -daca sint numerice); evolutia ce se inregistreaza este definita in raport cu un eveniment prestabilit ca evolutie dar imprevizibil ca aparitie, zis Trigger.

1.2.2. Categorii de regimuri de achizitie

Fata de categoriile identificate anterior ca 'obiecte de studiu' ale SACHI, s-au definit urmatoarele categorii de regimuri de achizitie:

A Regimuri de achizitie pentru afisare locala (sau regim de 'Digital Panel Meter') cand intereseaza urmarirea unor evolutii temporale pentru centralizare informationala locala; pe langa masurarea numerica a mai multor marimi se realizeaza si simple prelucrari numerice (incadrarea in limite, corectia nelinearitatii caracteristicilor senzorilor -pentru afisare numerica a valorilor marimilor neelectrice urmarite-); nu se realizeaza memorarea valorilor masurate, dar exista posibiltatea transmiterii lor la distanta.

B. Regimuri de achizitie de lunga durata (sau regim de 'Data Logger'), cind se urmareste memorarea evolutiilor temporale ale unor marimi, oferindu-se posibilitatea unor prelucrari ulterioare complexe. Timpul de desfasurare al regimului este practic nelimitat, momentul de inceput fiind, de obicei, nesemnificativ. Exista posibilitatea incorporarii tuturor functiilor de afisare locala caracteristice regimului de achizitie precedent.

Exemple urmarirea evolutiilor marimilor ce caracterizeaza transferul de masa si/sau de energie dintr-un proces chimic (temperaturi, presiuni, debite,s.a.); urmarirea evolutiei parametrilor de sinteza -valori efective, puteri, frecventa- ce descriu starea energetica a unui receptor sau a unei surse electrice;

C. Regimuri de achizitie de scurta durata (sau regim de 'Transient Recorder'), RASD, cind achizitia este selectiva si de mica deschidere; marimile urmarite pot fi analogice si/sau numerice, evolutiile inregistrate permitind analiza unor fenomene nerepetitive (reg. tranzitorii pentru marimi analogice, secvente din evolutia unor disp. numerice programabile).

Derularea achizitiei depinde esential de un Trigger -evenimentul semnificativ prin intermediul caruia se defineste zona de interes din evolutiile analizate-. Dupa cum este interpretata aparitia Trigger-ului exista doua variante de derulare a unui RASD: PRETRIGGER, POSTTRIGGER.

In varianta posttrigger se memoreaza un numar fixat de esantioane ce corespund numai evolutiei dupa aparitia evenimentului trigger.

In varianta pretrigger se achizitioneaza continuu, in regim cu recirculare intr-o memorie de dimensiune impusa (sutemii de 'cuvinte'); la aparitia evenimentului trigger se

mai achizitioneaza un numar de esantioane, numar impus, indirect, prin cate esantioane achizitionate inainte de aparitia triggerului se doresc mentinute. Se poate deci obtine o descriere ce incadeaza evenimentul trigger; uneori intre evenimentul trigger si zona ce mai este achizitionata se poate programa o intarziere (data in numar de asantioane ce nu se mai achizitioneaza).

Exemple inregistrarea evolutiilor pre si post scurtcircuit, inregistrarea unor secvente neciclice din evolutia unui dispozitiv numeric programabil.

2. Variante structurale de SACHI

Dupa felul in care sunt implementate caracteristicile functionale legate de masurarea cu conversie in valori numerice se identifica trei configuratii structurale de SACHI: de tip instrument virtual, cu aparatura de masura programabila, de tip dedicat.

2.1. SACHI de tip instrument virtual (SAVIR)

2.1.1. Definiri

SAVIR sunt cele mai raspandite variante de SACHI.

Un SAVIR se obtine prin completarea configuratiei unui PC cu o serie de constructii din categoria interfetelor de proces -numite generic placi de achizitie (PACHI); compatibile mecanic si electric cu structura interna a unui PC, PACHI permit cuplarea informationala cu un proces fizic - pe calea unor marimi de interes prestabilite, analogice si/sau numerice-.

De mare diversitate PACHI, asigura functii precum: a) conditionarea marimilor masurate (adaptare de nivele, filtrare, izolare galvanica); b) masurarea numerica si controlul local al functiei de achizitie; c) prelucari numerice ale valorilor masurate (memorare, eliminarea valorilor redondante, verificarea incadrarii in limite, filtrare digitala, etc).; d) cuplarea informationala cu PC -ul. Dintre aceste functii sunt obligatorii: b) si d). Din motive de spatiu o partele din functia a), in special izolarea galvanica , este realizata in exteriorul PC-ului, prin asa numitele module de conditionare.

La nivelul PC-ului, printr-un software dedicat, sunt realizate functiile de: interfata utilizator, controlul global al functiei de achizitie (in dialog cu PACHI incluse in PC), stocarea pe suportul extern al PC-lui a valorilor masurate, prelucrarea complexa a informatiei (elaborarea de rapoarte de sinteza, s.a.).

2.1.2. Variante dePACHI

Dupa functiile ce le implementeaza, PACHI se impart in variante standard (universale) si variante complexe (dedicate).

A. Variante standard de PACHI (PACHIS sunt realizate asa incat sa acopere atat cerintele uzuale de prelucrare numerica a unor marimi analogice cat si cerintele realizarii unor functii de control.

Marimile analogice acceptate sunt de tip omogen: aceeasi natura, aceeasi gama de valori, aceeasi banda de frecventa, fara conditii de izolare galvanica individuala.

Pentru intrarile analogice, PACHIS folosesc un bloc unic de conversie in valori numerice, prelucarile analogice asigurate fiind minime. Pentru a putea fi folosite in conducerea proceselor majoritatea PACHIS ofera intrari si iesiri pentru marimi numerice precum si/sau iesiri analogice controlate numeric.

Functiile numerice implementate de PACHIS sunt cele strict necesare: controlul local al achizitiei - generarea ratei de conversie programata, implementarea succesiunii impuse in care sunt masurate marimile de intrare-; dialogul cu PC-ul ce incorporeaza PACHI.

B. Variante complexe de PACHI (PACHIC sunt realizate pentru a raspunde unor cerinte de prelucrare specializata, precum: analiza spectrala, inregistrarea de regimuri tranzitorii, masurari de precizie.

Cele mai comune PACHIC indeplinesc functiile unei variantei standard oferind facilitati privind: performantele conversiei in valori numerice (ca rata si/sau rezolutie); prelucrarile analogice (factor de amplificare programabili, filtrare adaptata, conversie de valoare).

Variantele specializate de PACHIC completeaza variantele comune de PACHIC cu: performantele pe intrare (privind natura diferita a marimilor de intrare, prelucrarile analogice); performante privind controlul achizitiei (achizitie de tip adaptiv, in acord cu viteza de variatie a marimilor analogice urmarite); prelucrari numerice speciale ale valorilor masurate (analiza spectrala, achizitie neredondanta, inregistrare in Buffer local cu logica de tip LIFO).

2.2. SACHI cu aparatura de masura programabila (SAPRO)

SAPRO au ca element caracteristic standardul ce impune conditiile de cuplare fizica a echipamentelor si protocolul de dialog asociat (IEEE 488-1,2).

Aparatura de masura utilizata este de tip curent (multimetre, osciloscoape digitale, generatoare de functii, etc), cuplarea la procesul fizic masurat fiind directa (fara constructii intermediare).

Asemenea SACHI implementeaza, de obicei, numai regimuri de tip 'Data Logger', dar prezenta in configuratie a unor aparate specializate (analizor logic, osciloscop digital) permite implenetarea, la nivelul acestora, si a unor regimuri de tip 'Transient recorder'.

2.3. SACHI de tip dedicat (SADED)

SADED sunt fie variante elementare dintr-un sistem distribuit de masurare sau de afisare locala, fie constructii deosebite -configurate pentru aplicatii industriale complexe.

Numeroase firme -printre care Hewlett-Packard, Fluke, Tektronix, Analog Devices, Burr Brown, Data Translation, National Instruments- au incercat sa impuna o anumita structura de SADED cat mai versatila si deci mai larg utilizabila; in ultimii ani s-a conturat incadrarea in standardul VXI a principalelor constructii performante de SADED.

3.Variante standard de PACHI (PACHIS)

3.1. Definire

Marimi analogice de intrare, ANAI, dintr-o PACHIS sunt de tip tensiune, in numar de 2..64, cu domeniu de valori in gama 0.1..10V si banda de frecventa in domeniul c.ckHz.

In varianta maximala structura electronica pe care PACHIS o contine (fig.1.) se compune din: SCIA -subsistem de conversie analog-numerica -cu bloc unic de conversie- pentru marimi analogice (InA) ; SAIN -subsistem de prelucrare a intrarilor de tip numeric (InN); SOUT -subsistem pentru controlul iesirilor analogice si/sau numerice( OutA, OutN); BCONT -bloc numeric de control, ce realizeaza controlul functional al PACHIS (controlul achizitiei, dialogul cu PC-ul Master, controlul canalelor de iesire).

3.2. Subsistemul de conversie analog-numerica (SCIA)

3.2.1. Structura constructiv-functionala

In fig. 2 se prezinta sectiunea din PACHIS asociata conversiei analog-numerice,

implicand SCIA si BCONT1.

A. In compozitia SCIA - subsistemul de conversie analog-numerica intra: MUXI -multiplexor analogic de intrare, prin intermediul caruia se selecteaza marimea analogica de intrare ce va fi achizitionata; BANA -bloc de prelucrari analogice (amplificare, filtrare, conversie de valoare); BCAN -bloc de conversie analog-numerica.

B. BCONT1 reprezinta sectiunea din blocul numeric de control al PACHIS, dedicata exclusiv SCIA si indeplineste urmatoarele functii

f1) Controlul derularii conversiei in valori numerice a unei marimi analogice (zisa 'masurare numerica'); desi conversia analog-numerica este realizata efectiv de BCAN, BCONT1 realizeaza functiile ce definesc un ciclu de conversie, si anume: initializare (programarea parametrilor structurii SCIA, in acord cu marimea de intrare ce va fi masurata); lansarea conversiei analog-numerice; urmarirea finalizarii conversiei -pentru prelevarea valorii numerice rezultata prin conversie si memorarea acesteia-;

f2) Controlul secventei in care sint 'masurate numeric' toate marimile analogice din SANA, variantele de secventare fiind:

de tip canal unic, cind se masoara o singura marime analogica din cele ce alcatuiesc SANA;

de tip circular, cind toate marimile analogice din InA sint prezente o singura data (intr-o ordine nepreferentiala) intr-o secventa de masurare, secventa care este repetata identic;

f3) controlul duratei achizitiei sau, echivalent, a numarului de esantioane prelevate.

3.2.2. Structuri tipice pentru multiplexorul de intrare (MUXI)

A. Varianta pentru intrari Single-Ended

Intrarile Sigle-Ended (ISE) sau de tip asimetric presupun existenta unei borne comune pentru toate intrarile, borna ce este si referinta electronicii din SADU; intrarile par a avea o singura borna explicita, de aci si denumirea tipului.

Structura unui multiplexor pentru ISE, MUXI , este prezentata in fig.3., si contine: SEA -sectiune analogica, in esenta un set de chei de tensiune, cu circuitele de comanda asociate; SEN -sectiune numerica, ce incorporeaza decodifictorul de canal activ.

Numarul canalului este controlat prin liniile de adresa si de validare (Enable); daca semnalul de validare nu este activ nici o cheie din SEA nu este inchisa, indiferent de starea liniilor de adresa.

Structurile uzuale de MUMI sint realizate in tehnica CMOS si au au urmatoare performante tipice: admit marimi de intrare bipolare de maxim (10..12)V; rezistenta unui canal in conductie este mica (10..500W) si putin dependenta de valoarea marimii analogice; diafonia este mica; curentii de scurgere de la cheile blocate spre cea in conductie sunt de ordinul nA, fiind puternic dependenti de temperatura (dublindu-se la fiecare crestere de 10 C).

B. Varianta pentru intrari diferentiale

Structura multiplexorului pentru semnale de tip diferential, MUXI , (fig.11.3.4) presupune doua MUXI , comandate identic (pe liniile de adresa si de validare), fiecare comutind cite o cale din cele ce definesc semnalul diferential.

O constructie de tip MUXI₂, la care semnalele de validare sint in opozitie iar iesirile analogice sint legate impreuna, este echivalenta cu o structura de tip MUXI pentru 2N canale de intrare (semnalul de validare devenind din categoria semnalelor de adresa).

3.2.3. Structuri tipice pentru blocul analogic de prelucrare (BANA

BANA contine ca element la intrare un amplificator cu mare impedanta de intrare si cu castigul programabil.

Impedanta mare de intrare este impusa de conditia unei influente energetice neglijabile asupra surselor de semnal masurate.

Cistigul variabil este impus de uniformizarea nivelelor semnalelor, asa incat la intrare in blocul de conversie marimile masurate sa aiba valori cat mai apropiate de valoarea nominala a converorului analog-numeric (se obtine astfel o buna rezolutie a conversiei); raportul in care se modifica castigul este in acord cu formatul de prezentare al CAN-ului (binar sau zecimal).

Atunci cand BCAN contine convertoare analog-numerice de tip cu comparatie in BANA se include, obligatoriu, un filtru antialiasing.

Pentru o corelare exacta intre valoarea masurata numeric si momentul de timp in care marimea analogica a avut valoarea respectiva, sau atunci cind BCAN foloseste CAN cu aproximari succesive, in BANA se include un SHA -amplificator cu urmarire si memorare -ca element de iesire din BANA-; unori se aloca cate un SHA pentru fiecare canal de intrare, astfel incat o esantionare simultana sa fie posibila (conditie impusa de prelucrarea corelata precisa a unor semnale).

3.2.4. Structuri tipice pentru blocul de conversie (BCAN)

Blocul de conversie in valori numerice, este constituit dintr-un convertor analog-numeric, selectat dupa rezolutie, timp de conversie si descriere a marimii de iesire.

Datorita numarului de canale relativ mare (8..16..), pentru a obtine rata mare de achizitie pe canal, se utilizeaza CAN-uri cu timp mic de conversie -precum cele cu aproximari succesive (in majoritatea cazurilor); acestea au rezolutii de 12..16 biti si timp de conversie de 1..20ms-. Atunci cand se cer timpi de conversie foarte mici (pentru regimuri de tip Transient Recorder) se folosesc CAN de tip Flash sau Subranging -ce au rezolutii de 6..10

biti si timpi de conversie de 0.01..0.1ms-.

3.2.5. Structuri tipice pentru sectiunea BCONT1

A. BCONT -blocul de comanda al SACHIS, este o structura numerica adesea realizata in jurul unui microcontroller, mC. Sectiunea BCONT1 alocata pentru controlul SCIA contine:

o serie de linii (porturi) de intrare prin care se controleaza MUXI (adrese, validare), BANA (factor de amplificare), BCAN (start conversie);

o serie de linii (porturi) de intrare, prin care se urmareste starea conversiei si se citeste rezultatul conversiei numerice;

un temporizator/numarator (counter/timer) ca potential element de sprijin in generarea ratei de conversie, in secventarea masurarii numerice a canalelor, in numararea esantioanelor achizitionate; realizarea hardware a acestor functii este impusa de rate de conversie mai mari de 10 conversii/sec. -cand trebuie sa asigure controlul tuturor etapelor (fazelor) presupuse de implementarea unui regim de achizitie impus.

B. In cele mai simple variante, fazele unei masurari controlate de BCONT1, inseamna: fixarea, la MUXI, a canalului de intrare si la BANA a factorului de amplificare corespunzator; dupa un timp, mai mare decit timpul de raspuns al MUXI+BANA, se declanseaza conversia analog-numerica; prelucrand semnalul de stare conversie (EOC -End of Conversion), specific BCAN, se preleveaza rezultatul conversiei.

Pentru micsorarea timpului de achizitie -la practic timpul de conversie al BCAN- se foloseste tehnica overlap (cu suprapunere), ceea ce implica ca, dupa ce conversia a inceput, sa se comande schimbarea MUXI si BANA pentru urmatorul canal ce se cere achizitionat. Prin acest procedeu, practic, dupa ce o conversie s-a finalizat, noua valoare analogica ce trebuie masurata este deja prezenta la intrarea SHA+CAN.

3.3. Configuratie tipica de PACHI

3.3.1. Performante functionale globale

In fig.5 prezinta o placa de achizitie tipica, din seria oferita de National Instruments (AT MIO -xxE-x); constructia permite:

a) pentru sectiunea analogica de intrare/iesire:

16 canale de intrare Single-Ended sau 6 Differential; amplificator cu castig programabil, selectabil software;

implementarea unor tehnici de auto-zero si autocalibrare; posibilitatea achizitiei canalelor intr-o ordine selectata de utilizator, fiecare canal putand avea orice factor de amplif.

controlul ratei de esantionare si memorarea valorilor masurate intr-o memorie interna;

iesire analogica, controlata numeric -prin intermediul unui convertor numeric analogic, existand o memorie locala a undei de iesire;

b) pentru sectiunea numerica de intrare/iesire:

iesiri si intrari de tip numeric, in numar de 8/16;

iesire/intrare de tip Counter/Timer    (numarator/ generator de interval de timp).

3.3.2. Structura

A. Sectiunea analogica de intrare si de conversie in valori numerice contine:

ANA MUX -multiplexorul analogic de intrare-, MUX SEL -mutiplexor selector - ce permite atat accesarea marimilor masurate cat si operatiile de autozero (prin Gref) si autocalibrare (prin Vref);

PGIA -amplificator de masurare, cu factorul de amplificare comutabil automat; fiecarui canal de intrare ii este asociat, la dorinta -prin programare-, oricare din factorii de amplificare posibili;

SADC convertor analog-numeric cu S/H incorporat; rezultatul unei 'sesiuni' de conversie este memorat local in ADC FIFO de 0.5..2Ko;

DAQ Conv. Cont. -structura de programare si control a achizitiei;

Counter/Timer -circuit prin care se fixeaza rata de esantionare, se 'numara' esantioanele achizitionate, se pot masura frecvente sau intervale de timp;

B. Sectiunea de iesire contine: Digital I/O -structura de monitorizare a intrarilor si iesirilor analogice; DAC -convertor numeric-analogic-, prin care se controleaza iesirile analogice; DAC Fifo -modul de memorie pentru semnalul analogic de iesire, generat prin DAC.

C. Sectiunea de interfata cu calculatorul, cuplata printr-un conector standard (ISA-AT, PCI, etc), contine blocurile: PS-AT Intf, DMA Intf, INT Intf, ce realizeaza respectiv: interfata pe magistralele de date si adrese, control al transferului (prin tehnica rapida de DMA, sau pe intreruperi-INT-).

3.3.3. Controlul achizitiei si programarea

Fiecare firma ce realizeaza PACHI, 'construieste' si software necesar pentru controlul

placii, ceea ce inseamna: programarea functiilor, controlul achizitiei, transferul intre PACHI si PC a datelor; numite curent Drivere, aceste programe sunt compatibile cu diversele interfete utilizator ce ruleaza curent pe PC (DOS, Windows, OS, etc), sau 'constructori software' precum VisualBasic VisualC++ (Microsoft) , LabWindows/CVI, LabVIEW (National Instruments), s.a. Se obtin astfel Instrumente Virtuale performante pentru analiza si achizitie.

Bibliografie

6.1. E. Nicolau (coord), Manualul inginerului electronist, vol.I, E.T, 1975

6.2. G. Ionescu, Masurari si traductoare, EDP, 1985.

6.3. G. Meyer, Oszilloscope, Huthig Verlag, 1989.

6.4. A. Helfrik, W.Cooper, Modern Electronic Instrumentation and Measurement Techniques, Prentice Hall, 1990.

E. Doebelin, Measurement Systems, Appl. and Design, Mc.Graw-Hill, 1990.

6.6. *** An introduction to Digital Storage, Appl.Note 41W-6051-1, Tektronix, 1990.

6.7. *** 2400 Series Digital Oscilloscope Concepts, Appl. Note 37W-6568-1, Tektronix, 1990.

6.8. ***.2232 digital Storage Oscilloscope, Technical Manual, Tektronix, 1992.

6.9. *** Instrumentation, Reference and Catalogue, National Instruments, 1996.