VI. Achiziția datelor în LabVIEW SUBIECTE A. Achiziția Datelor B. Measurement & Automatation Explorer (MAX) C. Driverul software, NI-DAQmx D. Placa de achiziție, NI USB 6008
A. Achiziția Datelor Subiecte: A.1. Introducere în DAQ A.2. Traductoare (Senzori) A.3. Semnale fizice de intrare/ieșire A.4. Surse de semnal analogic A.5. Condiționarea semnalelor A.6. Placa de achiziție
LabVIEW este foarte puternic atunci când vine vorba de crearea aplicatiilor DAQ. LabVIEW include un set de VI-uri care permit configurarea și achiziționarea datelor de la plăcile DAQ, precum și trimiterea datelor la aceste dispozitive.
Adesea, o singură placă poate efectua o varietate de funcţii, cum ar fi: conversia analog-numerică (A/D), conversia numeric-analogică (D/A), operații intare-ieșire (I/O) digitale, precum și operații de numărare/cronometrare. Fiecare placă DAQ acceptă diferite viteze de generarea a semnalului. De asemenea, fiecare placă DAQ este proiectată pentru un anumit hardware şi un anumit sistem de operare.
A.1. Introducere în DAQ Scopul de achiziţie datelor este de a măsura un fenomen electric sau fizic, cum ar fi: tensiunea, temperatura, curentul, presiunea, sau sunetul.
Achiziţia de date este întâlnită în foarte multe din domeniile de activitate din zilele noastre: în industrie - în cadrul calculatoarelor de proces care supraveghează şi reglează instalaţii tehnologice, în cercetarea ştiinţifică - pentru măsurarea şi prelucrarea unui spectru extrem de vast de mărimi electrice şi neelectrice, în comunicaţii pentru supravegherea şi măsurarea liniilor de comunicaţie, etc.
Figura 6.1. Sistem de achiziție
O altă prezentare a unui sistem de achiziție pe bază de PC. Figura 6.2. Sistem de achiziție
Ca urmare, un sistem de achiziție de date bazat pe PC este alcătuit din următoarele părți componente: senzori sau traductoare - convertesc fenomenul fizic într-un semnal electric ce poate fi apoi prelucrat şi măsurat; circuite de condiţionare - prelucrează analogic semnalul şi realizează funcţii diverse cum sunt: adaptarea semnalului, convertirea şi/sau amplificarea semnalului provenit de la traductoare, izolare galvanică, excitarea senzorului,liniarizare, filtrare, etc.;
un subsistem de achiziţie de date (placă de achiziţie de date) - care poate include multiplexoare şi convertoare analog-digitale; sistemul de calcul (PC); soft pentru achiziţie de date;
A.2. Traductoare (Senzori) Achiziţia de date începe cu măsurarea fenomenelor fizice. Exemple de astfel de fenomene fizice sunt: temperatura unei camere, intensitatea unui surse de lumină, presiunea din interiorul unei încăperi, forţa aplicată unui obiect, e.t.c. Un sistem efectiv de achizitii de date poate măsura toate aceste diferite fenomene.
Tabelul 6.1 Fenomene și traductoare
Diferitele tipuri de traductoarele au cerinţe diferite pentru a converti un semnal fizic întrun semnal măsurabil: Spre exemplu un traductor de temperatură rezistiv (RTD) are nevoie de un curent de excitare pentru a măsura temperatura. Un termocuplu nu are nevoie de un curent de excitare dar necesită compensarea joncţiunii reci și amplificarea semnalului. Senzorii tensometrici folosesc o configurare de rezistori numită punte Wheatstone pentru a măsura forța.
Ca urmare, senzorul este un dispozitiv care transformă fenomenul fizic într-un semnal electric măsurabil, cum ar fi o tensiune sau un curent. În tehnică există trei mari aplicaţii cu senzori: Monitorizarea proceselor şi operaţiilor Controlul proceselor si aplicaţiilor Experimente si analiză inginerească
A.3. Semnale fizice de intrare/ieșire Un semnal fizic de intrare/ieșire este de regulă un semnal tensiune sau curent. Există mai multe tipuri de semnale, analogice şi digitale, provenite de la diferitele tipuri de senzori: Semnale analogice cu variaţie lentă în timp (de c.c); Semnale analogice cu variaţie rapidă în timp; Semnale analogice din domeniul frecvență; Semnale digitale de tip On-Of; Semnale digitale de tip tren de impulsuri.
Figura 6.3. Tipuri de semnale
Figura 6.4. Caracteristicile unui semnal analogic
Figura 6.5. Caracteristicile unui semnal digital
A.4. Surse de semnal analogic Sursele de semnal analogic sunt de două tipuri: raportate (referite) la masă; ne raportate la masă, denumite şi surse flotante sau surse diferențiale.
Surse de semnal raportate la masă (groundreferenced signal source) sunt surse conectate într-un fel la sistemul de masă sau împământare şi sunt astfel conectate deja la un punct comun de masă, în raport cu placa de achiziţie. Surse de semnal flotante (floating signal source) sunt o surse care nu sunt conectate la sistemul de împământare sau de masă al sistemului (sursa flotantă poate avea însă un punct de masă izolat).
Figura 6.6. Sursă de semnal raportată la masă Figura 6.7. Sursă de semnal flotantă
A.5. Condiționarea semnalelor După achiziția semnalului de la senzori, acesta trebuie să urmeze o cale de condiționare de semnal, pentru a-i reliefa caracteristicile de interes precum amplitudinea şi forma. O prima formă de conditionare de semnal constă în Amplificare. În figura următoare se poate vedea o comparatie în termeni de amplitudine și forma între semnal înainte si după conditionare.
Figura 6.8. Amplificarea și filtrarea semnalului Convertorul analog numeric utilizat în majoritatea sistemelor pentru achizitie de date are un domeniu fix pentru semnalul de intrare, astfel că, pentru a beneficia de rezolutia maxima a acestuia pentru orice domeniu al semnalului de intrare, acesta trebuie amplificat pentru a se extinde pe tot domeniul de conversie.
Figura 6.9. Rezoluție slabă, fără amplificare Se poate observa efectul conectarii unui semnal cu amplitudine de 10 mv la intrarea unui convertor analog numeric cu domeniul de intrare ±10 V, rezolutie 16 biti. Datorita nepotrivirii domeniilor, semnalul este convertit in semnal analogic cu 32 de nivele discrete, echivalentul utilizarii unui CAN pe 5 biti.
Figura 6.10. Creșterea rezoluției prin amplificare Daca în sistemul de conversie intervine un amplificator, cu scopul de a extinde semnalul de masurat pe tot domeniul de intrare al convertorului, în acest caz particular amplificare cu 1000, semnalul ce initial avea valori intre ±10 mv se înscrie acum perfect in domeniul de intrare de ±10V, extinzandu-se în acest fel rezolutia conversiei, de la 5 biti fară amplificare la 16 biti, respectiv de la 32 nivele discrete de reprezentare la 65 536.
Pe lângă condiționarea de uz general (amplificare, filtrare, izolare, e.t.c.) o serie de senzori necesită și condiționări specifice (excitare, liniarizare, compensare, e.tc.). Astfel, anumiti senzori precum termocuplu, punti tensiometrice, celule de forta sau accelerometre necesita anumite forme de conditionare de semnal pentru a opera corespunzator precum: amplificare, compensarea jonctiunii, filtrare, curent de excitatie, liniarizare, compensarea puntii, izolare, etc. In cazul necesitatii masurarii semnalelor cu tensiuni in afara domeniului ±10V, se poate utiliza atenuarea semnalului ca o forma a conditionarii de semnal.
Figura 6.10. Diferiți senzori și condiționare de semnal aferentă
Filtrele se utilizeaza pentru a elimina componentele de frecvanta nedorita din semnalul de masurat. Cea mai comuna sursa de zgomot este reteaua de alimentare cu energie electrica, ce adauga o componenta de 50 Hz. Filtrele analogice implementate hardware previn de asemenea erorile de aliere, eliminand semnalele cu frecventa mai mare decat jumatate din frecvența de eșantionare.
Filtrarea semnalului poate fi realizată înainte sau după achiziția datelor.filtrele sunt utilizate pentru eliminarearea porțiuni din spectrul de frecvență. Figura 6.11 este un exemplu de semnal sinusoidal cu frecvență variabilă, de la o frecvență joasă (în stânga) la o frevență înaltă (în dreapta). Figura 6.11. Example of a sine wave with a varying frequency
Filtrele trece-jos sunt utilizate în mod obișnuit pentru a filtra semnale. (Aceasta presupune că zgomotul este la o frecvență mai mare decât semnalul de interes). Un filtru trece-jos permite trecerea semnalelor de joasă frecvență, dar oprește (elimină) semnale de înaltă frecvență. Un filtru trece-jos aplicat semnalului din Figura 6.11, poate produce rezultatul prezentat in Figura 6.12. Figura 6.12. Semnal sinusoidal filtrat cu FTJ
Ftrecvența de tăiere este un parametru reglabil al filtrului. În practică, se dorește setarea frecvenței de tăiere astfel încât semnalul util să treacă, iar zgomotul de înaltă frecvență să fie eliminat. (Filtrele reale generează o tăiere mai puțin perfectă decât rezultatul prezentat în figura 6.12.).
Filtrele trece-sus permit trecerea componentelor de semnal de frecvență înaltă, și filtrează componentele de frecvență joasă, așa cum este ilustrat în figura 6.13. Figura 6.13. Semnal sinusoidal filtrat cu FTS
În imaginile de mai jos, putem observa efectul atât în domeniul timp cât și în domeniul frecvență al unui filtru trece jos. Figura 6.11. Efectele filtrării semnalului