CAPITOLO 1
SISTEMA DI ACQUISIZIONE
1.1 INTRODUZIONE
Il sistema di acquisizione necessario per registrare suoni emessi dai delfini è schematizzato dallo schema a blocchi di figura 1.1.
Figura 1.1 - Schema a blocchi del sistema di acquisizione.
L’idrofono è la sonda che viene immersa in mare ad una distanza di circa 30 metri dall’imbarcazione. Esso è in grado di ricevere segnali sottoforma di vibrazioni grazie alla sua particolare sensibilità. Lo stadio di amplificazione, che può essere rappresentato da un amplificatore di carica esterno o da un blocco di preamplificazione direttamente cablato con la sonda, è necessario per riportare a livelli di tensione adeguati i segnali provenienti dai delfini, in quanto abbastanza bassi. Inoltre ci sono inevitabili attenuazioni prodotte dal cavo che collega l’idrofono alla scheda di acquisizione.
La scheda di acquisizione preleva il segnale analogico opportunamente amplificato e lo trasforma in un segnale numerico per poterlo successivamente analizzare (figura 1.2).
Figura 1.2 - Inserimento della scheda di acquisizione sul portatile.
Il computer, attraverso un’interfaccia utente, permette di visualizzare in tempo reale i segnali che la scheda sta acquisendo. I files vengono memorizzati in formato testo (*.txt) e possono essere utilizzati successivamente per le elaborazioni. Le cuffie servono principalmente per individuare la presenza di tursiopi vicino all’idrofono; spesso infatti non è sufficiente un riferimento visivo in quanto i delfini possono rimanere in apnea per alcuni minuti e si può perdere definitivamente la loro posizione. Quindi l’utilizzo delle cuffie rappresenta una valida guida per la scelta dei periodi di registrazione.
Le figure 1.3a e 1.3b mostrano i due schemi che si utilizzano in base al tipo di sonda impiegata.
Figura 1.3a - Schema con idrofono in ceramica.
Figura 1.3b - Schema con l’idrofono CRT C303.
In particolare la figura 1.3a si riferisce all’utilizzo dell’idrofono in ceramica, il quale necessita di un amplificatore di carica esterno, non avendo alcuna preamplificazione interna. La figura 1.3b si riferisce invece all’idrofono CRT C303 (il più nuovo dei due), dotato di un preamplificatore interno.
1.2 IDROFONO CRT C303
E’ un particolare sensore in grado di rilevare segnali acustici e vibrazioni in genere, in acqua e altri fluidi.
L’idrofono utilizzato per le nostre misurazioni è stato realizzato dalla
NAUTA-RCS (Cetacean reserch tecnology), industria che si occupa di
consulenza e ricerche scientifiche volte in particolare allo studio e fabbricazione di strumenti per la ricerca sui cetacei.
E’ una capsula piezoelettrica preamplificata (Figura 1.4) ed incapsulata in una resina poliuretanica adatta a funzionare in immersione a pressioni che possono arrivare fino a 100 bar, per una profondità massima di 1500 metri.
Figura 1.4 - Idrofono CRT C303
La sonda è collegata all’alimentatore (una batteria da 9 volt normalmente presente in commercio) mediante un cavo lungo 30 metri che permette un sufficiente isolamento da rumori acustici come ad esempio l’elica del motore. L’oscillazione del cavo può introdurre del rumore che va ad interferire sul segnale utile; un semplice accorgimento suggerito dalla casa produttrice è quello di fare una forma ad “S” sul cavo ad una distanza di circa un metro dal sensore e di avvolgere il cavo con una tela là dove il cavo è in stretto contatto con la barca.
Il box di alimentazione è fornito di un’uscita in linea utilizzabile attraverso un connettore jack mono standard ¼” e può essere impiegata per collegare un ulteriore stadio di amplificazione o più semplicemente delle normali cuffie audio (compresi ingressi di computer e telecamere). La presa è fornita di un coperchio a molla che garantisce una sufficiente tenuta all’acqua. La capsula ed il cavo sono entrambi schermati elettromagneticamente.
Il modello CRT C303 è un particolare idrofono per ultrasuoni con una
larghezza di banda che va da 14 Hz fino a 350 KHz. Purtroppo bisogna considerare che la scheda di acquisizione DAQCard-6062E della
NATIONAL INSTRUMENT ha una frequenza massima di campionamento
pari a 500Kb/sec relativa quindi ad una banda massima di 250 KHz che rappresenta un limite fisico allo studio dei segnali ad ultrasuoni; inoltre questo sensore diventa molto direttivo alle alte frequenze: un cono di angolo al vertice di circa 15 gradi a 200KHz sulle due facce. Questo può comportare complicanze durante le misurazioni, in quanto il delfino, pur vicino, rimane nella zona di basso guadagno pregiudicando la registrazione. La sensibilità è la sua peculiarità principale: -168dB +2/-3dB. Le caratteristiche fornite dalla casa costruttrice si riferiscono a 1V/mPa e includono il guadagno del preamplificatore, mentre fuori dai limiti sopraindicati, essa cala di 6 dB per ottava.
Le dimensioni dell’idrofono sono limitate (dimensione massima di circa 7cm) e garantiscono una maggiore facilità di utilizzo.
Per le nostre registrazioni abbiamo apportato alcune modifiche che permettono l’uscita sia delle cuffie che della scheda di acquisizione; questo è stato fatto isolando le due uscite in modo da garantire le specifiche sopraelencate senza interferenze aggiuntive, inevitabili se avessimo utilizzato un semplice deviatore a “T”. Il motivo di questa modifica nasce dall’esigenza di poter capire se il delfino è presente o meno nelle vicinanze dell’idrofono grazie ad un’analisi in banda acustica percettibile all’udito umano. Lo
svantaggio di questo idrofono è che se impieghiamo sistemi con impedenze di ingresso molto basse, si ha una desensibilizzazione alle basse frequenze;
Figura 1.5 – Schema a blocchi dell’idrofono CRT C303.
questo può comportare dei problemi nel caso in cui si studiassero altri tipi di cetacei come ad esempio le balene che emettono segnali a bassissime frequenze dell’ordine delle decine di Hz.
La figura 1.5 mostra lo schema a blocchi del CRT C303 ed eventuali operazioni:
• Suction cups sono manufatti per l’analisi dei segnali ed in particolare: gli eyes cups, che sono speciali occhiali oscuranti da far indossare ai cetacei per le misure di impulsi di ecolocalizzazione [11]; la saddle
cups, una veste per il delfino dove possono essere attaccate particolari
sonde di posizione.
• Pro audio devices è la parte riguardante l’acquisizione mediante opportune schede.
• Signal analysis tools riguarda la parte inerente al software impiegato come interfaccia tra idrofono e utente.
1.3 SCHEDE DI ACQUISIZIONE DATI
PCI-MIO-16E-4 E DAQCard-6062E
Le schede prodotte dalla National Instruments hanno caratteristiche simili e stesso principio di funzionamento. La scheda PCI-MIO-16E-4 è stata installata sul computer in laboratorio per le prove di collaudo. La scheda
DAQCard-6062E (figura 1.6) è predisposta per essere montata direttamente
sul portatile con il quale abbiamo effettuato le registrazioni in mare.
Figura 1.6 - Scheda di acquisizione DAQCard-6062E.
Le operazioni di acquisizione dati (DAQ: Data Acquisition), in particolare di segnali analogici, sono conseguite attraverso l’impiego di opportune interfacce programmabili che si collegano, tramite eventuali blocchi di condizionamento, ai trasduttori (nel nostro caso l’idrofono) che convertono una certa grandezza fisica in un segnale elettrico (tipicamente una tensione) colloquiando col processore tramite il Bus di collegamento.
Figura 1.7 - Schema di interfacciamento tra sorgente e calcolatore.
Le prestazioni, in termini di precisione e di velocità di acquisizione, risultano determinate dall’insieme Calcolatore – Scheda di acquisizione – Blocco di condizionamento.
La scheda di acquisizione ha 16 canali di ingresso analogici single
ended configurabili anche come differenziali, nel qual caso si hanno solo 8
ingressi. L’acquisizione può essere condotta su un singolo canale per volta (single acquisition) o su più canali contemporaneamente (multiple acquisition). La modalità single ended è illustrata in figura 1.8.
Figura 1.9a - Schema a blocchi della scheda di acquisizione dati PC-MIO-16E-4.
Gli schemi a blocchi dei circuiti delle schede sono mostrati nelle figure 1.9a e 1.9b.
Per quanto riguarda il trasferimento dati tra interfaccia e calcolatore, come primo stadio individuiamo un multiplexer che ha lo scopo di commutare i canali sul circuito di S&H. Nel caso di acquisizione multipla, è possibile stabilire quali sono i canali che interessano e l’ordine con cui devono essere acquisiti. In questa modalità il multiplexer deve commutare ciclicamente (scansione) i vari segnali sul circuito di S&H producendo un segnale composito caratterizzato, in generale, da numerosi fronti ripidi che si infittiscono all’aumentare della frequenza di campionamento (e di scansione).
La velocità con la quale il multiplexer e l’amplificatore successivo riescono ad estinguere i transitori nel passaggio da un canale all’altro definisce anche la massima frequenza di campionamento adottabile. Un parametro che viene di solito riportato nelle caratteristiche per tener conto di questo fatto è il Setting Time.
Il circuito S&H contiene inoltre un convertitore analogico-digitale PCM con una risoluzione di 12 bit e un range ±5V (in configurazione bipolare). Per meglio adattare i segnali al convertitore è presente un amplificatore con guadagno variabile e controllabile da programma. I guadagni possibili sono: 0.5, 1, 2.5, 5,..100.
La frequenza di campionamento è impostabile da programma. La massima frequenza di campionamento, nel caso di acquisizione singola, è di 500 Ksample/sec, mentre, nel caso di acquisizione multipla su N canali, è di 250/N Ksample/sec per canale. Come si vede la frequenza massima del campionatore scende a 250 Ksample/sec nel caso di acquisizione multipla; questo è dovuto alla velocità dei transitori nella commutazione, inoltre la frequenza effettiva di campionamento per ogni canale è pari alla frequenza del campionatore diviso il numero di canali selezionato.
La presenza del buffer FIFO di 1024 campioni è necessaria in quanto, mentre il circuito di S&H produce dati con velocità costante, il Bus Interface trasmette in modalità DMA alla memoria centrale del calcolatore e quindi a pacchetti con un flusso intermittente.
Figura 1.10 - Trasferimento dati tra interfaccia e calcolatore.
I dati vengono trasferiti ad una porzione di memoria che è stata allocata dal calcolatore su indicazione del programma durante le operazioni di configurazione dell’acquisizione. I dati sono allora disponibili per il calcolatore che può o elaborarli in tempo reale, oppure, in caso di acquisizioni veloci, trasferirli in memoria di massa (tipicamente in un Hard Disk e con trasferimento DMA) ed elaborarli successivamente ad acquisizione terminata. L’operazione di trasferimento su Hard Disk è denominata Stream to disk. Il buffer allocato in memoria è di tipo circolare costituito da due puntatori, uno per la lettura ed uno per la scrittura. In operazioni di acquisizione ad alta velocità la scrittura avviene con un ritmo più veloce della lettura provocando, dopo un certo tempo, il riempimento del buffer. Secondo le specifiche lo stream to disk avviene senza saturazione per velocità di campionamento inferiori a 250Ksample/sec (system dependent). Dalle prove effettuate sul nostro sistema si ottiene un rate massimo di poco superiore a 200 Ksample/sec. Per frequenze superiori occorre allocare un buffer di dimensione adeguata alla durata dell’acquisizione che si intende ottenere. Quindi è stato deciso di attuare tutte le registrazioni ad una frequenza di 200
Ksample/sec, corrispondente quindi ad una banda di 100 kHz. Ricordando però che l’idrofono CRT C303 accoglie in ingresso una larghezza di banda che va da 14 Hz a 350 kHz, dal teorema di Shannon si evince la necessità di introdurre un filtro anti-aliasing (F.A.A.) che limiti la banda del segnale tra il preamplificatore interno all’idrofono e la scheda d’acquisizione. Per quanto riguarda il F.A.A. e la sua progettazione, si veda il Capitolo 2.
Figura 1.11 - Morsettiera che collega la scheda con l’idrofono; il collegamento è stato fatto nei primi due ingressi analogici.
