Story Transcript
Lección 10 Sistemas de adquisición de datos basados 10.1 Introducción 10.2 Configuraciones 10.3 Tarjetas de adquisición de datos 10.4 Buses de instrumentos
© F. J. Ferrero-2006
1
10.1 Introducción Aplicaciones de test, medida, automatización, etc. PCI, PXI, USB, Puerto serie, etc.
La adquisición de datos implica la adquisición de señales de las fuentes de medida y su digitalización para su almacenaje, análisis y presentación en un PC. Los sistemas de adquisición de datos (SAD) pueden presentarse en diferentes formatos tecnológicos, de forma que se tenga una mayor flexibilidad. Se puede tener SAD en para buses PCI, PXI, PCMCIA, USB, IEEE 1394, o bien para los puertos paralelo o serie del ordenador. Los SAD se utilizan principalmente en aplicaciones muy diversas para test, medida y automatización así como en laboratorios de investigación. La figura muestra los elementos principales que hay que considerar a la hora de configurar un SAD: • Sensores • Acondicionamiento de señal • Hardware de adquisición de datos • Drivers y software de aplicación
2
10.2 Configuraciones
Sensores
Computador (PC) Acondicionamiento
Tarjeta de adquisición de datos
SAD basado en un computador
Los SAD basados en un computador se han convertido en una de las alternativas más prometedoras debido a su coste y versatilidad. En esta configuración, suele utilizarse un computador como plataforma para realizar el procesamiento, el almacenamiento y la visualización, y una tarjeta de adquisición de datos para la captura de las señales analógicas. Aunque el computador se ha convertido en un excelente recurso para construir un SAD, esta plataforma no está suficientemente acondicionada para trabajar en un entorno industrial exigente, así, su inmunidad a interferencias es bastante pobre, su refrigeración deficiente, sus ranuras de expansión muy limitadas, etc. Goza, sin embargo, de un alto grado de conectividad que permiten realizar la administración y monitorización remota a través de redes (LAN, Internet, etc.) y sobre todo, una capacidad de visualización y cómputo bastante avanzadas, junto a un soporte de herramientas de programación muy potente. En general, suele utilizarse una alternativa de este tipo cuando no se requieran altas prestaciones de velocidad y el número de señales de captura no sea excesivo.
3
Instrumentos autónomos
Sensores
INSTRUMENTOS Acondicionamiento
TALK / DATA TALK
RS CS TR RD TD CD
TALK / DATA TALK
RS CS TR RD TD CD
TALK / DATA TALK
RS CS TR RD TD CD
Bus (GPIB)
Los SAD basados en instrumentos independientes suelen utilizarse en aplicaciones más exigentes que requieran capturar un gran número de variables con gran precisión y fiabilidad. En general, son soluciones de mayor coste pero están mejor acondicionadas y ofrecen mayores prestaciones que la anterior. En el mercado existen diferentes soluciones para resolver las necesidades más exigentes: sistemas de adquisición, sistemas actuadores, data-loggers, etc. para resolver las necesidades más exigentes. En general, son equipos con una determinada funcionalidad que puede ser administrada por el usuario a través del panel frontal del instrumento o por software. En este último caso, el instrumento dispone de algún tipo de interfaz (GPIB o serie) para la conexión a un computador, disponiendo de un conjunto prefijado de comandos que son enviados por el computador al instrumento y que permiten automatizar su funcionamiento. Además, pueden aprovechar el computador como dispositivo de cálculo y visualización de los datos adquiridos. La capacidad de comunicación de estos instrumentos se amplia cada vez más, dotándolos, en ocasiones, de conexión a redes como ethernet lo que permite su gestión remota.
4
Instrumentos basados en módulos
MÓDULOS
CPU
E/S digitales
Genrador s eñal
D/A
A/D
Acondiciona
Sensores
Display
Instrumento modular (VXI, PXI)
Los sistemas basados en instrumentos modulares permiten configurar SAD más potentes y a un coste que puede llegar a ser más reducido que con instrumentos autónomos, sobre todo en sistemas de cierta dimensión o con necesidad de crecimiento futuras. Los sistemas basados en módulos son muy robustos, flexibles y potentes. Se dispone de módulos de gran cantidad de fabricantes siguiendo estándares muy aceptados en la industria.
5
10.3 Tarjetas de adquisición de datos Etapa analógica (Analog Front End)
Entradas analógicas
Multiplexor
Reloj
AGP
S&H
Conversor A/D
Memoria Bus interno
E/S Digitales
Temp./ Contador
Lógica de control
Interfaz BUS
Bus del PC
Las tarjetas de adquisición de datos (TAD) se conectan directamente al computador a través de las ranuras de expansión. Generalmente son de tipo PCI, que es el bus de comunicación con dispositivos periféricos típico en el PC. El núcleo central de una TAD está compuesto por los circuitos analógicos de entrada (el llamado front-end) y el CAD. Los circuitos analógicos de entrada incluyen un multiplexor, al que llegan los distintas variables de entrada, un amplificador de ganancia programable (AGP) y un circuito de muestreo y retención (S&H); a continuación se encuentra el propio CAD. En general, las tarjetas disponen de una memoria temporal o buffer donde se almacenan las muestras capturadas por el CAD antes de transferirlas a través del interfaz de bus a la memoria del computador con el objeto de permitir una mayor velocidad de trabajo del sistema. La comunicación entre los bloques que constituyen la tarjeta se realiza a través de un bus interno y la conexión con el bus de E/S del computador se realiza a través del interfaz de bus. En otras tarjetas puede realizarse un tratamiento de los datos en la propia tarjeta incorporando para ello un procesador especializado, p.e. uno o varios DSP. Estas tarjetas suelen utilizarse en aplicaciones exigentes (alta velocidad de adquisición y gran cantidad de procesamiento) donde se demande procesamiento local, bien porque el procesador central del computador no posea la suficiente potencia para procesar las muestras en tiempo real, o bien porque existan limitaciones derivadas de la velocidad máxima de transferencia de datos a través del bus.
6
Ejemplo
Advantech (www.advantech.com) Adlink Technology (www.adlinktech.com) Data Translation (www.datatranslation.com) Keithley Instrumnets (www.keithley.com) National Instruments (www.ni.com)
7
Exactitud % FS ó ± LSB ENOB
Los fabricantes suelen especificar la exactitud en porcentaje del valor de fondo de escala o en número de bits (0,01% suele corresponder a tarjetas de alta calidad). Este parámetro engloba una combinación de varios errores que están presentes, sobre todo, en el circuito analógico de entrada. Para tener en cuenta el efecto conjunto de todos estos errores y poder conocer la exactitud del sistema de adquisición de una forma global se puede utilizar el denominado número efectivo de bits (ENOB) que mide la actuación del sistema de adquisición en su conjunto en condiciones reales de funcionamiento, realizando las pruebas a la máxima velocidad de adquisición, usando más de un canal y midiendo una señal dinámica. Podemos encontrarnos con tarjetas de 16 bits con un número efectivo de bits de 13,5 o menos.
8
CHn
CHn+
+ vo -
GND
CH0CH1CHn-
Multiplexor
CH0 CH1
Multiplexor
CH0+ CH1+
Multiplexor
Entradas simples y diferenciales
+ vo -
Single-ended inputs
GND
Differential inputs
Entradas referidas a masa (single-ended inputs): un terminal de entrada en todos los canales está referido a la masa del sistema de adquisición y, el otro, está disponible para su conexión a entradas exteriores. Esta configuración es aceptable cuando la diferencia de tensión entre la entrada conectada a la masa del sistema de adquisición y el común analógico no sea significativa; de lo contrario se producen errores debido a las corrientes de los bucles de masa. Generalmente se utiliza en la adquisición de señales de nivel alto donde el error introducido por la señal en modo común es despreciable. Entradas en modo diferencial (differential inputs): no existe ningún terminal referido a masa. Los dos terminales de entrada se corresponden con dos terminales de entrada de la tarjeta. Esta configuración es útil en la adquisición de señales de bajo nivel o señales inmersas en entornos ruidosos (el ruido presente sobre ambos terminales es tratado como una señal de modo común y es atenuado por la característica CMRR del amplificador. Relacionado con la entrada también podemos considerar la forma de realizar el acoplamiento de la entrada a la tarjeta. Se especifica como dc o ac, conexión directa o acoplamiento en alterna. El acoplamiento en ac inserta un condensador en serie con la entrada para eliminar la componente de continua.
9
Disparo
Señal analógica de entrada
NIVEL DE REFERENCIA
DISPARO (‘trigger’)
Un aspecto interesante en las tarjetas se refiere a la posibilidad de realizar la adquisición sincronizada con algún evento externo. Generalmente, la adquisición se inicia por software, escribiendo sobre un bit de un registro determinado de la tarjeta o bien se realiza mediante un temporizador interno a un ritmo establecido. Sin embargo, también puede iniciarse externamente cuando la tarjeta dispone de una entrada especial denominada entrada de disparo externo (trigger input). Así, cuando una señal toma un valor determinado, p.e., cuando se introduce un flanco de subida, se realiza la captura. El disparo exterior suele utilizarse en aplicaciones donde la temporización entre muestras sea crítica o cuando sólo se pretende capturar datos en momentos exactos de tiempo. Algunas tarjetas permiten mecanismos de disparo más sofisticados basados en la presencia de determinados niveles analógicos introducidos por la entrada de disparo: disparo analógico. Por ejemplo, puede realizarse la captura cuando una señal sobrepasa un valor, se mueve dentro de un margen o incluso pueden adoptarse modos de captura definiendo ciclos de histéresis. En la figura el disparo se genera cuando el valor de la señal es mayor que el nivel de referencia. Algunas tarjetas permiten también que el usuario programe modos de rastreo. Un rastreo es una serie de muestreos sobre los canales de entrada repetidos en un orden determinado. Un modo de rastreo muy común es la captura de un número determinado de muestras después del disparo.
10
Dispositivos USB
• 8 entradas analógicas • Frecuencia de muestreo: 10 kS/s • Resolución: 12 bits • 2 puertos E/S digitales (8,4 bits) • 1 Contador: 32 bits, 5 MHz • 2 Salidas analógicas • Memoria FIFO: 512 bytes
11
10.4 Buses de instrumentos GPIB VXI, PXI
Los sistemas de adquisición de datos basados en instrumentos independientes pueden funcionar de forma autónoma o bien conectarse a un PC y a otros instrumentos a través de un bus de comunicación. En general, el bus más difundido para la conexión de instrumentos es el bus GPIB. En el caso de los instrumentos modulares, la interconexión entre los módulos del sistema se realiza a través de un bus de conexión local de altas prestaciones como VXI o PXI. Este bus adopta la forma de un panel posterior al que se conectan los distintos módulos que componen el sistema de adquisición montado en un rack. Estos sistemas pueden conectarse, a su vez, a computadores, a otros racks de módulos o a instrumentos independientes permitiendo la configuración de soluciones muy versátiles.
12
El Bus GPIB GPIB = General Purpose Interface Bus Comunicación de un ordenador con instrumentos de medida 1965: HP-IB 1975: IEEE 488.1 1987: IEEE 488.2 1990: SCPI (Standard Commands for Programable Instrumentation)
GPIB es un estándar de conexión que permite la comunicación de un ordenador con instrumentos electrónicos de medida, como pueden ser generadores de funciones, osciloscopios, etc. Las siglas corresponden a General Purpose Interface Bus, pero a pesar de este nombre, fue diseñado específicamente para la conexión de instrumentos de medida. Fue creado en 1965 por la compañía Hewlett-Packard, que lo denominó originalmente HP-IB, y se popularizó con rapidez, debido a sus altas tasas de transferencia de datos (máximo 8 Mbytes/s). Para evitar la dispersión de características, los principales fabricantes acordaron la estandarización del GPIB en 1975 (IEEE 488.1), centrándose en las características eléctricas y mecánicas del bus. Una segunda estandarización (IEEE 488.2 de 1987) delimitó de forma más concreta la programación del GPIB, definiendo comandos de aparatos, formato de mensajes y estado de los instrumentos. El siguiente paso de importancia fue la adopción del formato de comandos SCPI, que estructura las órdenes a los aparatos de forma coherente, permitiendo (hasta cierto punto), la sustitución de instrumentos de distintos fabricantes con mínimos cambios.
13
Ejemplo
Un sistema GPIB consiste en una serie de instrumentos de medida conectados a un bus, y controlados, normalmente, por un PC dotado de una tarjeta GPIB. Existe bastante libertad en la configuración topológica del bus, que, en general, es una combinación de disposiciones lineales y en estrella, como se muestra en la figura. El dispositivo controlador (normalmente un PC dotado de una tarjeta GPIB) gestiona el flujo de datos y comandos a los diferentes elementos del sistema.
14
Especificaciones básicas Especificación Mecánicas
Eléctricas Funcionales
Concepto
Descripción
Topología
Estrella o bus
Longitud
2 m entre instrumentos, máximo 20 m
Conector
Instrumento (Hembra) Cable (apilable: macho-hembra)
“1” lógico
< 0,8 V
“0” lógico
> 2,0 V
Tipos de instrumentos
Controller (controlador) Talker (emisor) Listener (receptor)
Nº max de Instrumentos
15
Nº instrumentos activos
> 2/3
Velocidad
Hasta 8 MB/s
La tabla resume las especificaciones del bus GPIB. Para que el bus GPIB alcance la velocidad de transmisión para el que fue diseñado (hasta 8 MB/s), deben cumplirse los siguientes requisitos: • Puede haber un máximo de 15 dispositivos conectados al bus, y al menos dos tercios de ellos deben estar encendidos. • La separación máxima entre dos dispositivos es 4 m, y la separación promedio en toda la red debe ser menor de 2 m. • La longitud total de la red no debe exceder los 20 m.
15
Señales del bus GPIB INSTRUMENTO DAV NDAC NRFD
PC
ATN EOI SRQ IFC REN
Control transmisión de los datos
Control transmisión de comandos
DIO0
Bus de datos DIO7
El bus consta de 24 pines, repartidos de la siguiente forma: • 8 líneas de transmisión de datos (DIO1-DIO8) • 3 líneas para el control asíncrono de la comunicación (NRFD, NDAC y DAV). Mediante estas líneas se verifica la correcta transmisión de los datos, que es una de las fortalezas del GPIB. • 5 líneas que gestionan la transmisión de comandos (ATN, IFC, REN, SRQ y EOI). • El resto componen las masas de las diferentes líneas.
16
Programación de GPIB int osciloscopio; osciloscopio = ibdev (0, 8, NO_SAD, T10s, 1, 0); if (osciloscopio