Sistemi di acquisizione automatica dei dati (SAD)

(1)

Sistemi di acquisizione automatica dei dati (SAD)

• Compiti e limiti operativi

• Caratteristiche

• Elementi funzionali

• Principali caratteristiche

• Esempi

• Tipi di architetture

• Esempi di architetture

(2)

Sistema di gestione e controllo

Impianto Trasmissione dei dati

Ricezione dei comandi

Memorizzazione Estrazione delle informazioni Elaborazione numerica

Conversione

Campionamento (analogici) Preelaborazione Condizionamento

Sensori e trasduttori Attuatori Sistema di

distribuzione dei dati

analogici digitali

Sistema di

acquisizione dei dati

(3)

Caratteristiche dei SAD

riferite all’impianto

• Numero di grandezze da acquisire

– Da una decina di punti di misura (processi discreti) – a migliaia di punti di misura (processi continui)

• Tipo di grandezze da acquisire

– Segnali elettrici in tensione e corrente, impedenze – Segnali ottici (fibre ottiche)

– Segnali analogici, digitali e in frequenza

• Dimensioni dell’impianto

– Distanze di metri

migliaia di metri

centinaia di kilometri

– Architettura SAD ‘concentrata’ o ‘distribuita’

(4)

Caratteristiche dei SAD

riferite all’impianto

• Protezione dell’informazione

– Filtri analogici e digitali – Codici di errore

– Sensori intelligenti

• Velocità e tipo di acquisizione

– Da qualche campione al minuto – a migliaia di campioni al secondo

– Uso di convertitori ‘spot’ e ad integrazione

• Risoluzione ed accuratezza (segnali analogici)

– Risoluzione tipica: 8 –14 bit

– In qualche caso è richiesta una risoluzione superiore, fino a 18 bit

(5)

Caratteristiche dei SAD

riferite al Sistema di Controllo

• Integrabilità hardware e software

– Protocolli di comunicazione – Norme internazionali

• Algoritmi di preelaborazione

– Filtri

– Trasformate – Funzionali

– Gestione loop di controllo

• Presentazione all’operatore

– Quadri mimici

– Immagini video, metafore – Pulsanti

(6)

Caratteristiche dei SAD

riferite al SAD stesso

• Robustezza

– Requisiti meccanici, elettrici, termici, ambientali

• Continuità nel funzionamento

– Affidabilità – Autodiagnosi – Back up caldo – Manutenibilità

• Modularità

– Riconfigurazione ed espansione – Fornitori alternativi

• Intelligenza

– Microprocessori – Sistemi distribuiti

• Costo di acquisto

• Costo di esercizio

(7)

Elementi funzionali di un SAD

Elemento Simbolo

Interfaccia verso il Sistema di Controllo

Interfaccia verso l’operatore

Bus parallelo

Bus o linea seriale

Interfacce fra bus

INTF

OPR

BUS

BUS o LINEA

BUS

(8)

Elementi funzionali di un SAD

Elemento Simbolo

Controllore intelligente

Unità di acquisizione dati

Concentratore

CPU

INPUT

(9)

Interfaccia verso il sistema di controllo MODELLO ISO - OSI

INTF

APPLICATION APPLICATION

TRANSPORT TRANSPORT

SESSION SESSION

PRESENTATION PRESENTATION

NETWORK DATA LINK PHYSICAL

NETWORK DATA LINK PHYSICAL NETWORK

DATA LINK PHYSICAL

Sistema A Circuito di Sistema B

trasmissione

7 6 5

4

3 2 1

Piano

(10)

Interfaccia verso il sistema di controllo MODELLO ISO - OSI

INTF

APPLICATION

TRANSPORT SESSION

PRESENTATION

NETWORK DATA LINK PHYSICAL 7

6 5

4

3 2 1

Significato informazioni (X400)

Sintassi e modo di presentazione (terminali virtuali) Gestione del dialogo – diritto di parola (X215 e X225)

Trasporto dati fra due utilizzatori in sistemi differenti

Scelta del percorso in una rete magliata (X25) Instradamento dei blocchi (HDLC)

Interfacce meccaniche ed elettriche a livello di bit (modem)

Esempi: MAP e TOP

(11)

MODELLO ISO - OSI

PHYSICAL bit

DATA LINK trama

NETWORK pacchetto

TRANSPORT messaggio

SESSION transazione

APPLICATION PRESENTATION

Informazione da trasmettere

(12)

• Supporti fisici

– Doppino intrecciato e schermato (UTP) 100 kbit/s – 100 Mbit/s

100 –500 m

– Cavo coassiale 10 Mbit/s – 1 Gbit/s

1 – 10 km

– Fibra ottica 1 – 10 Gbit/s

5 km

• Protocolli

– RS232C o V24 doppino; 9,6 –19,2 kbit/s(152kbit/s);

15 –20 m

– RS422 doppino 10 Mbit/s - 12 m

1 Mbit/s – 120 m

100 kbit/s – 1200 m

– IEEE 802.3 (Ethernet) UTP; 10-100 Mbit/s (1Gbit/s); 100 m

coassiale; 10-100 Mbit/s – 1 Gbit/s; 1 km

fibra ottica; 10 Gbit/s; 1 km

Interfaccia verso il sistema di controllo

INTF

Comunicazione seriale: esempi

(13)

• VME o IEEE P 1014

Motorola – Calcolatori 16 o 32 bit

– Backplane – Eurocard – connettori 96 piedini – Struttura multiutente più parlatori

priorità

interruzioni

– Un solo system controller

– BUS con 128 canali max data transfer bus

priority interrupt bus

data transfer bus arbitration

utility bus (autodiagnostica) – Versioni ridotte compatibili

– Bus accessori VSB

Bus parallelo

^BUS

Esempi di bus normalizzati

(14)

• VXI (Vme eXt. for Instrum.)

Data Systems; Hewlett Packard Racal; Tektronix; Wavetek;

National Instruments

– Basato su VME (IEEE P 1014)

– Doppio – triplo - quadruplo Eurocard – connettori 96 piedini – Due/tre connettori

– Specifiche molto severe componenti

segnali

compatibilità elettromagnetica

raffreddamento

– Nasce come bus di strumentazione per sistemi di buon livello – Versioni ridotte compatibili

– Bus accessori MXI

Bus parallelo

^BUS

(15)

• IEEE 488 (IEC 625)

Hewlett Packard, National Instr.

– Strumenti intelligenti da laboratorio

– Cavo multiconduttore 20 m – 15 strumenti – 1Mbit/s

‘a stella’ o ‘a festone’

– Struttura ascoltatore e parlatore

parlatore

ascoltatore

– Un solo system controller

– BUS con 16 linee (segnale – massa) data bus

control bus

management bus (una

linea di interrupt)

– Usato per strumenti di elevate prestazioni – Bus accessori

Bus parallelo

^BUS

(16)

• PC, AT, ISA, PCI, PCMCIA BUS ^IBM

– Calcolatori a 8, 16, 32 bit – Struttura monoutente

– Possibilità di processori ‘slave’ e di DSP

– Un solo system controller

– BUS data bus

address bus

interrupt bus

– Usato per applicazioni a basso livello – Basso costo

Bus parallelo

^BUS

(17)

• Uno o più microprocessori

8 – 16 –32 - 64 bit di dato

• ROM

• RAM

• Memorie di massa

• Compiti

gestione

comunicazioni

scheduling procedure acquisizione esecuzione algoritmi

• Backup caldo

• Personal Computer

• Sistemi distribuiti

Controllore intelligente

^CPU

(18)

• Interfacciamento

• Acquisizione

campionatore analogici convertitore A/D

convertitore digitali

• Multiplexing

• Condizionamento

adattatori di ingresso attenuatori

amplificatori filtri (analogici)

debounce (digitali)

Unità di acquisizione dati

^INPUT

(19)

CONDIZIONAMENTO

Problemi dovuti ai sensori:

– Impedenza di uscita

– Tensione bilanciata – sbilanciata – Ampiezza del segnale

– Disturbi

• Preamplificatore

– Adattamento di impedenza – Amplificazione

– Isolamento

– Ingresso differenziale

• Instrumentation amplifier

– Alta reiezione ai disturbi di modo comune (CMRR) – Alta impedenza di ingresso

– Ingresso differenziale

– Elevata linearità, bassi offset e derive – Guadagno programmabile

(20)

CONDIZIONAMENTO

Problemi dovuti ai collegamenti:

– Resistenze in serie – in parallelo – Disturbi di rete

– Disturbi elettromagnetici – Anelli di massa

• Soluzioni

– Cavi corti e di eguale lunghezza – Cavi vicini fra loro

– Cavi intrecciati e schermati

– Cavi lontani da fonti di disturbo

– Massa analogica e digitale separate

– Accorto collegamento con preamplificatore – Conduttori in fibra ottica

(21)

CONDIZIONAMENTO

Problemi di filtraggio:

– Rumore stocastico componenti – Rumore deterministico ambiente – Aliasing durante il campionamento

• Soluzioni

– Filtri passa basso – Filtri passa banda

– Modulazione e filtri demodulatori

• Tipi di filtri

– Passivi – Attivi

– A capacità commutate

(22)

MULTIPLEXING

• Commutatori analogici

– A stato solido R_on non nulla e variabile

R_off non infinita

– Elettromeccanici lenti (tempo di commutazione

> 1 ms)

(23)

ACQUISIZIONE

• Amplificatore

– Adattamento al convertitore

– Spesso è un amplificatore per strumentazione

• Amplificatore a ritenuta (Sample & Hold o Track

& Hold)

(24)

ACQUISIZIONE

• Convertitore analogico/digitale – Risoluzione (6 – 22 bit)

errore di quantizzazione (1 LSB) – Accuratezza (1 – 2 LSB)

• Linearità, offset, guadagno, ….

– Tipo di conversione

• ‘Spot’

• A media in un intervallo di tempo

– Tempo di conversione

• Da pochi ns a decine di µs

• Da 10 ms a qualche secondo

(25)

ACQUISIZIONE

• Convertitore analogico/digitale - I

– Tipi di A/D

» Parallelo (Flash)

• Alta velocità

• Bassa risoluzione (6 – 8 bit)

• Ibridi e integrati

» Approssimazioni successive sono i più usati

• Media velocità (microsecondi)

• Media risoluzione (fino a 16 bit)

• Integrati

» Inseguimento

• Caratteristiche simili ad approssimazioni successive

• Usati in applicazioni specifiche

(26)

ACQUISIZIONE

• Convertitore analogico/digitale - II

– Tipi di A/D

» A conversione tensione/frequenza

sfruttano l’accuratezza nelle misure di tempo e frequenza

» A rampa

– Conversione tipo ‘spot’

» A semplice integrazione

– Conversione tipo ‘media’

– Poco usati

» A integrazione doppia o quadrupla rampa

– Alta risoluzione (fino a 22 bit) – Bassa velocità (da 10 ms in su)

(27)

ACQUISIZIONE

• Convertitore analogico/digitale - III

– Tipi di A/D

• Ibridi

– Sigma delta

• Risoluzione impostabile (fino 24 bit)

• Velocità legata alla risoluzione impostata: da 100 kHz a bassa risoluzione fino a pochi Hertz ad alta risoluzione

• Uscita dati seriale

• Basso costo e ridotte dimensioni

• Poco adatti a sistemi con multiplexer

(28)

INTERFACCIA VERSO L’OPERATORE BUS O LINEA SERIALE

INTERFACCE FRA BUS

OPR

BUS o LINEA

BUS

• Non normalizzati

• Normalizzati analoghi a INTF

• Video grafici, quadri mimici

• pulsantiere protocollo tipico: RS232C

• Parallelo/parallelo

• Parallelo/seriale

• Seriale/parallelo

CONCENTRATORE

• Concentratore principale

• Concentratore remoto

(29)

Tipi di architetture

• Sistemi monoscheda

– Piccoli sistemi autonomi a basso costo

• Un solo concentratore

– Per sistemi di piccole dimensioni e pochi punti di misura (es.: sistemi basati su PC)

• Un concentratore primario e vari concentratori remoti

– Per sistemi distribuiti di medie dimensioni e con molti punti di misura

• Solo concentratori remoti

– Per sistemi distribuiti di grandi dimensioni

(30)

Un solo concentratore

un solo bus parallelo

BUS INTERNO

Al controllore

INTF CPU

EPROM

Memoria per Sistema Operativo

RAM

Memoria operativa

Ingressi per segnali

digitali codificati acquisitore

multiplexer condizio n.

. . . . . .

Multipl.

Cond.

. .

Multipl.

Cond.

. .

Multipl.

acqui s Bus canali analogici

Dall’impianto

(31)

Un solo concentratore

due bus interni

BUS CPU

Al controllore

INTF CPU

EPROM

Memoria per Sistema Operativo

RAM

Memoria operativa

digitali codificati acquisitore

multiplexer condizio n.

. . . . . .

Multipl.

Cond.

. .

Multipl.

Cond.

. .

Multipl.

acqui s Bus canali analogici

Dall’impianto

BUS DATI

BUS

(32)

Dall’impianto

Un concentratore primario

e piu’ remoti

BUS

INTF BUS

Al controllore

primario

remoto BUS SERIALE

Ad altri concentratori remoti

Dall’impianto

(33)

Dall’impianto

Solo concentratori remoti

BUS

Al controllore

INTF BUS

remoto BUS SERIALE

Ad altri concentratori remoti

Dall’impianto

BUS

remoto

(34)

Sistemi monoscheda

senza CPU

INTF

BUS INTERNO

digitali codificati Acquisit.

Multipl.

Condiz.

. . . .

Dall’impianto

BUS INTERNO

Ingressi per segnali digitali codificati Acquisit.

Multipl.

Condiz.

. . . .

INTF

Bus del controllore

(35)

Sistemi monoscheda

con CPU

INTF CPU

EPROM RAM

BUS INTERNO

digitali codificati Acquisit.

Multipl.

Condiz.

. . . .

Dall’impianto

BUS INTERNO

Ingressi per segnali digitali codificati Acquisit.

Multipl.

Condiz.

. . . .

INTF CPU

EPROM RAM

Bus del controllore

(36)

Software applicativo

• Prima generazione

– Device drivers chiamabili con vari linguaggi LabDriver

• Seconda generazione

– Shell per la generazione di programmi di acquisizione attraverso menu – linguaggi C, QuickBASIC LabWindows – Acquisizione e immissione dati nelle tabelle elettroniche

Measure

– Procedimenti di acquisizione ed elaborazione comandati da menu

Labtech Notebook,

Asyst, Dadisp

• Terza generazione

– Creazione dello STRUMENTO VIRTUALE con menu, metafore,

icone, ecc. LabVIEW

(37)

Esempio: data logger

un cassetto

128 canali analogici

INTF

BUS INTERNO

INPUT INPUT

. . . .

Dall’impianto

BUS CPU

Tensioni analogiche, tensioni digitali (encoder) termocoppie, motori a passo, ecc.

RS232C

IEEE 488 Personal Computer

(38)

Esempio: MICROMAC

8 -16 cluster Pentium - BASIC 600 canali analogici 512 canali digitali

BUS INTERNO

INPUT INPUT

. . . .

Dall’impianto

CPU ^{Cluster 1}BUS

BUS INTERNO

INPUT INPUT

. . . .

Dall’impianto

CPU Cluster 16 BUS

……

Bus seriale RS232C – 19200 bit/s

Convertitori A/D ad integrazione – multiplexer condizionatori a piggy back

Concentratore principale: sistema di controllo

(39)

Esempio: DAMATIC

migliaia di canali

analogici digitali

Control Room bus OPR

Process bus (250 kbit/s)

Concentratore remoto

Concentratore principale (non ha INPUT)

(40)

Esempio: DAMATIC

PROCESS INTERFACE BUS

INPUT INPUT

. . . .

Dall’impianto

BUS CPU

master

Tensione e corrente, analogici e digitali, in frequenza, loop di controllo, ecc.

Multiplexing

Process bus (250 kbit/s)

SYSTEM BUS

CPU

slave

BUS

LINEA

RS243

(41)

Dall’impianto

BUS INTERNO INTF

PC, AT,…. BUS

Esempio: NATIONAL INSTRUM.

• Schede disponibili

– MIO per acquisizione segnali analogici

• A/D approssimazioni successive 12-16 bit – 16/8 canali

• Massima frequenza di campionamento 100 kHz – 1MHz

• Tensioni unipolari e bipolari 5/10V

– DIO per ingresso/uscita segnali digitali

• 24 o 32 canali digitali TTL

• Possibilità di gestione protocolli, Timer, Counter,…

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