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.

• Scopul de achiziţie datelor este de a

măsura un fenomen electric sau fizic,

cum ar fi: tensiunea, temperatura,

curentul, presiunea, sau sunetul.

A.1. Introducere în DAQ

• 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;

• 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.

A.2. Traductoare (Senzori)

Tabelul 6.1 Fenomene și traductoare

• Diferitele tipuri de traductoarele au cerinţe diferite pentru a converti un semnal fizic într-un 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

• 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.

A.3. Semnale fizice de intrare/ieșire

Figura 6.3. Tipuri de semnale

Figura 6.4. Caracteristicile unui semnal analogic

Figura 6.5. Caracteristicile unui semnal digital

• Sursele de semnal analogic sunt de două

tipuri:

raportate (referite) la masă;

ne raportate la masă, denumite şi surse

flotante sau surse diferențiale.

A.4. Surse de semnal analogic

• Surse de semnal raportate la masă (ground-

referenced 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 6.7. Sursă de

semnal flotantă

Figura 6.6. Sursă de

semnal raportată la

masă

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.

• 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 6.8. Amplificarea și filtrarea semnalului

• 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 6.9. Rezoluție slabă, fără 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.

Figura 6.10. Creșterea rezoluției prin amplificare

• 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

Figura 6.11. Efectele filtrării semnalului

În imaginile de mai jos, putem observa efectul atât în

domeniul timp cât și în domeniul frecvență al unui filtru

trece jos.