SAD y SDS

Sistemas de adquisición y distribución de señales

Grado en Ingeniería Electrónica Industrial Sistemas electrónicos de instrumentación y medida Material docente de la asignatura (teoría) Prof. Dr. Diego Ramírez Muñoz 1 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

IV.- Adquisición y distribución de señales. 8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales de señales (SAS y SDS).

8.1.- Conceptos. 8.2.- Componentes en un SAS y SDS. 8.3.- Topologías en un SAS. 8.4.- Topologías en un SDS. 8.5.- Tarjetas Tarjetas de adquisición y distribución de señales. 8.6.- Fuentes de error y calibración en la adquisición de señales. 8.7.- Sistemas de instrumentación.  Arquitectura.  Control

de equipos mediante los buses IEEE-488 y USB.

2 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales.

Objetivos específicos

1. Identificar las funciones de adquisición y distribución en un sistema de medida. 2. Conocer a nivel conceptual conceptual y cualitativo cualitativo cuales son las topologías fundamentales de adquisición y distribución de señales analógicas. 3. Conocer Conocer los tipos tipos de demultiplexa demultiplexado do posibles en la distribució distribución n de señales. 4. Identificar los errores errores existentes en cada uno de los subsistemas que componen componen un sistema de medida. 5. Conocer un procedimiento de corrección de las medidas erróneas en un sistema de medida con comportamiento lineal. 6. Conocer Conocer los los buses de instrume instrumentaci ntación ón fundament fundamentales. ales.



Bibliografía: Pallàs R., Adquisición y distribución de señales , Ed. Marcombo, Barcelona, 2005. Sheingold, D. (editor), “Analog - Digital Conversion Handbook”, Cap. 19, Prentice Hall, NJ., 1986. Analog Devices, “Linear Design Seminar”, Norwood, MA, 1995. Coombs, C. F., “Electronic Instrument Handbook” , 2nd ed. , McGraw-Hill, NY 1995. Keithley, “Data Acquisition and Control Handbook”, 1st ed., Keithley Instruments, Inc. Cleveland, Ohio, 2001. Ramírez, D., Casans, S., Navarro, A. E., Salazar, A., “Sistemas de instrumentación y medida distribuidos (y II)”, Mundo Electrónico, Junio 2003, nº 343, pp.38-42.


8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Conceptos

SAD Sistema

de medida multicanal.

 Incorpora

la información de interés a un procesador digital/controlador.

SDD  Sistema

electrónico multicanal.

 Canaliza

las órdenes-resultados del controlador a un puerto-actuador para realizar una determinada acción. 5 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

SADComponentes


 Convierte

Sensor

información física en señales eléctricas.

Adaptación de impedancias.  Adapta la señal del sensor Amplificación-desplazamiento. Acondicionador a la entrada requerida por el Conversión i-v. CAD. Conversión entre señales (dif.-unip.). Proces. adicionales (linealización, compresión, conv. AC-DC, Evita el antialiasing.  Filtrado proces. no lineal). Acota el intervalo de frecuencias a la banda de interés. Multiplexado

 Permite

compartir un recurso entre varios canales previos del sistema.

S/H

 Retiene

la señal mientras el CAD realiza su conversión a formato digital.

CAD Procesador digital

 Convierte

la información analógica en digital para su procesamiento posterior.

 Interpreta

y procesa la información digital adquirida.

Establece

las secuencias de temporización y sincronismo entre etapas para una correcta adquisición. 6 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

SASComponentes

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Multiplexado de alto nivel


SASComponentes

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Multiplexado de bajo nivel


SADComponentes

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Etapa de actuación

Función  Transformar

la señal procedente del controlador (baja potencia) en un accionamiento (alta potencia) con capacidad para modificar el estado del proceso.

Etapa final de control

Modifica el estado del proceso

Proceso

Sensor

No debe alterar el estado del proceso 9 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

SADComponentes

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Elementos en la etapa final de control

Convierte la señal de control en otro tipo (i/v, i/p, …) capaz de gobernar el actuador. 

Conversión de señales

Actuador

Elemento final

 Sistema

que proporciona la energía requerida por el elemento final. Dispositivo capaz de modificar el estado del proceso. 

Process Control Instrumentation Technology, 8e. Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved. Curtis Johnson:


SADComponentes

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Elementos en la etapa final de control

Ejemplo

Control del proceso de cocción

Process Control Instrumentation Technology, 8e. Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved. Curti s Johnson:

 Conversión

de señales  i (4-20 mA)  v (50-100 V).

 Actuador

: Motor (controla la velocidad).

 Elemento

final: Cinta transportadora. 11 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

SADComponentes

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Aspectos adicionales en el control analógico

Los formatos usuales de transmisión de la información analógica son en términos de corriente (bucle 4-20 mA) y de presión (3-15 psi).

• 1 psi ≡ 6,895 kPa. • 1 atm ≡ 101,3 kPa. • 1 kPa ≡ 7,5 mmHg.

Curti s Johnson: Process Control Instrumentation Technology, 8e.

Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.


SADComponentes

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Bucle de corriente 4-20 mA Controlador

Convertidor de parámetro a corriente i

Vb

rcable

Pt100/R

i ~ [4 mA..20 mA] i

rcable

+

TC/mV

R =250

VR

-

La corriente del bucle se convierte fácilmente en tensión en el controlador mediante una resistencia conocida (usualmente 250 ).


SAS Topologías

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. SAD con muestreo simultáneo

Dos niveles de muestreo: 1er S/H 2º S/H

Controlados simultáneamente. Controlado a la vez con el CAD.


8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. SDS Topologías SDD mediante demultiplexado digital

 El

CDA canaliza su salida hacia muestreadores

controlados por un multiplexor digital.  La

señal analógica se encuentra presente en todos

los S/H pero sólo uno de ellos actualizará su estado a través de la orden de sample procedente del mux.


8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. SDS Topologías

SDD con demultiplexado analógico

 El

dato analógico se encuentra presente

en la entrada del MUX.  El

S/H sólo actualiza su estado al cerrar

el correspondiente canal del MUX.  El

interruptor del MUX cumple una doble

función (interruptor del MUX y del S/H). Topología

simple y de bajo coste. 16 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. DAQ&D

Tarjetas de adquisición y distribución de señales


8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. DAQ&D Las tarjetas de adquisición

Módulos insertables internamente o conectables externamente en el PC para la adquisición/distribución de señales. 

1.- Interfaz E/S para el PC. Transferencia de información PC↔Tarjeta. 2.- Conector E/S. Lugar por el que entran o salen las señales. 3.- Bus RTSI. Permite compartir y sincronizar señales con otras DAQ y el PC.

2.- Multiplexor (MUX). Conecta una de las entradas al amplificador. 3.- Amplificador de instrumentación. Adapta las señales a la entrada del CAD. National I nstruments: Data acquisition and signal conditioni ng course .



Las tarjetas de adquisición

Convertidor analógico/digital.

Convertidor digital/analógico.

National I nstruments: Data acquisition and signal conditioni ng course .




National I nstruments: Data acquisition and signal conditioning course .

Circuitería digital E/S

Adquiere o genera señales digitales.

Contador

Permite adquirir la frecuencia de una señal 20 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida



National I nstruments: Measurement and automation catalog 2005 .

 Aspecto de una tarjeta de adquisición de datos:

Instalable en placa base del PC (serie B de National Instruments). Conectable al puerto USB del PC (NI-6008). 21 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Aspectos previos Calibración en la adquisición de señales

 La

necesidad de calibrar un sistema de medida surge cuando la relación entre la salida y su entrada dista de ser la prevista inicialmente.  Requiere

someter el sistema a entradas conocidas y actuar en función de su respuesta.



La calibración corrige los errores sistemáticos del sistema.



Afecta tanto a la sección de adquisición como la de sensado y acondicionamiento.

 La

calibración de sistemas que incluyen sensores no es fácil. Necesidad de reproducir el mesurando de interés (presión, caudal, [ ]).  Ha 

de realizarse después del warm-up del sistema.

Algunas técnicas de calibración: trimming, autozero opamps, calibración digital. 22 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Calibración en SAS Calibración digital  Consiste

en aplicar al sistema sucesivos valores de la variable a medir e ir anotando la correspondiente salida.

Con estos resultados hay 2 opciones  Construir

una tabla (“look -up table”). Interpolación lineal

 Que

 Realizar

una aproximación polinómica.

x = ao + a1 ×y + a2 ×y 2 + .... + an ×y n

pueden almacenarse en una memoria ROM. 23 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Calibración en SAS Calibración digital  La

tercera alternativa consiste en corregir las medidas experimentales afectadas de error a partir de la información que proporcionan dos o más puntos característicos del sistema, determinados mediante calibración.

y’

Respuesta real

y*

x

Respuesta corregida

Mesurando estimado 24

Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Calibración en SAS Calibración a dos puntos

El sistema se ha diseñado para tener una característica de salida lineal. 

y = m× x +

 La

característica experimental es diferente de la esperada. posible determinar el mesurando de interés x a partir de la información de dos puntos (x1 , y’1), (x2 , y’2).

y ' = m'× x + b'

 Es

 Para

x =

entrada cero y fondo de escala los puntos

son:

x = (0, y’0)

x 2 x 1 ×( y ' y '1 ) + x 1 y '2 y '1

x FE y ' FE y ' 0

( y ' y '0 )

×

(xFE , y’FE)


8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Calibración en SAS Calibración a dos puntos


8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Sistemas de instrumentación

Concepto

Un sistema de instrumentación es un conjunto de subsistemas de naturaleza electrónica cuya función es la realización de medidas mediante la aplicación de técnicas de procesamiento electrónico. Su finalidad es la de obtener cierto grado de información o conocimiento de un entorno de carácter físico, químico, eléctrico, etc. 

Universo físicoquímico

Sistema de Instrumentación

 La

separación física de los subsistemas que constituyen el sistema de instrumentación entre sí mediante uno o diferentes tipos de conexión da lugar a un sistema de medida local o distribuido.



Concepto

Equipos generadores

PC Sistema de conmutación

Interfaz controladora

D.U.T.

Equipos medidores



Inteligencia local

Equipos de medida autónomos (conduc., pH, cromat., analiz., etc.).

Inteligencia de comunicaciones Inteligencia general

RS232 o derivados (RS485, I2C,…).

Computador.

Sist. Distr. en Modo Local

Separación equipos-computador ~ dimens. lab o planta industrial. Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

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Equipos de medida/generación

Partes constitutivas (elementos hardware)

 Son las herramientas de captación de las señales de interés y los centros de generación de medidas.  Pueden ser equipos manufacturados por fabricantes o bien diseñados para un propósito específico.  Se dividen en dos categorías:

- los que realizan propiamente las medidas (recogen la respuesta del entorno de interés frente a una acción o estímulo externo), - los que generan estímulos sobre el entorno o sistema y  Los equipos de medida controlados por computador pueden ser desde los de capacidades más simples (por ejemplo para electrodos de pH, conductividad o termómetros) hasta equipos avanzados de medida y procesamiento como pueden ser los equipos de análisis de proteínas o cromatógrafos, por ejemplo.



Interfaz computador/equipo

Partes constitutivas (elementos hardware)

 La unidad de procesamiento estará dotada de interfaces digitales para una adquisición y control local (interfaces RS-232, IEEE-488, SPI, I2C, etc.) o de interfaces analógicos (tarjetas de adquisición analógicas, bucles 4-20 mA). Si la posición es remota entonces las interfaces que soportará han de ser del tipo de tarjetas Ethernet para aplicaciones en wide area networks, o interfaces para buses de campo (CAN, Fieldbus, Profibus) en entornos industriales. Si se trata de configurar una red de area local sin cables (WLAN) el sistema procesador local controlará una interfaz propia de esta tecnología (módulo transceptor y antena). Sistema de conmutación

 Es un componente hardware que establece conexiones controladas entre los equipos de medida, los equipos generadores de estímulos y el dispositivo bajo prueba. Está formado por un conjunto de interruptores controlados por señales lógicas y es de uso extendido en los llamados sistemas de test y caracterización.



Partes constitutivas (elementos hardware) Computador (PC)

 En el momento de seleccionar un computador para controlar un sistema de instrumentación han de considerarse varios factores que influirán en la decisión. Ha de seleccionarse un computador lo más estándar posible con objeto de disponer de las máximas herramientas software, de asistencia técnica y de ampliación posibles. Además, el paso del tiempo debe permitir que al cambiar el computador, el software destinado al sistema de instrumentación sea portable o admita mínimos cambios.



Partes constitutivas (elementos software)

Sistema operativo

 Controla el hardware propio del computador.  Debe ser lo más estable, robusto y seguro posible pues de él dependerá en última instancia la estabilidad del proceso de medida.

Driver de la interfaz controladora

 Permite la lectura y escritura de mensajes entre computador y equipos.  Habilita al sistema operativo para utilizar un recurso hardware nuevo como es la controladora de la interfaz.  La gran utilización de la interfaz IEEE 488 ha hecho posible la aparición de circuitos (tarjetas) controladores de esta interfaz.

Driver del equipo de medida Software de test y diagnóstico Programas de aplicación

 Ciertas rutinas de diálogo específicas entre el computador y cada equipo de medida.  Ejecuta las acciones de control sobre los diferentes equipos conectados al computador de forma que estos produzcan y envíen al computador las medidas deseadas.  Rutinas orientadas a la administración del sistema de instrumentación (control de usuarios, administración de bases de datos, generación de informes...). 33 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida


Lenguajes de programación tradicionales

- Pascal, C, etc.

Software de test y diagnóstico

Lenguajes de programación orientados a objetos

- C++, Visual Basic, …

Entornos de programación abiertos

Sistemas de programación icónica

- LabView, VEE, etc.

Entornos de programación cerrados

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Sistemas electrónicos de instrumentación y medida


- Se tiene acceso total al código de programación. Entornos de programación abiertos

Entornos de programación cerrados

- El sistema solo soporta las rutinas y los recursos que se necesiten optimizando los tiempos de ejecución y la memoria del sistema. - Generan aplicaciones basadas en texto, poco atrayente al diseñador no experto en lenguajes de programación. - Entorno gráfico y visual (preferidos para los diseñadores no expertos en programación textual). - Incorporan los drivers para el control de muchos equipos comerciales. - Consumir en exceso memoria del sistema y no sontan eficiente en tiempo de ejecución. - Permiten el desarrollo de aplicaciones de una forma más fácil y rápida que los entornos abiertos. 35 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida


En el PC

Instrumento Virtual

Capacidad que tiene el usuario de crear la rutina de software con los controles, procesamientos y equipos que más le interesen para su aplicación, de forma que ya no existe físicamente un equipo que se corresponde con estas capacidades.

Ramírez, D., Casans, S., Navarro, A. E., Salazar, A., “Sistemas de instrumentación y medida distribuidos (y II)”, Mundo Electrónico, Junio 2003, nº 343, pp.38-42.


8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. Control de equipos de medida

Mediante la interfaz IEEE488

 Es uno de los métodos más extendidos para el control de equipos de medida mediante computador.  La configuración básica consta de:

- Un computador (PC). - Un controlador de la interfaz IEEE488. - Un cable específico de conexión. - Un equipo adaptado a la interfaz IEEE488.

+

+

+


8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. La interfaz IEEE488

El controlador de la interfaz

 Establece un canal bidireccional de comunicación, control y adquisición de información entre el PC y los equipos (máximo 15 por controlador).  Se presenta en diferentes formatos:

- Tarjeta conectable internamente (bus PCI, ISA) en el PC.

- A través del bus USB.

- Utilizando el slot PCMCIA de un portátil.

 Necesita instalar un software de configuración en el computador.


8.- Sistemas de adquisición y distribución de señales. La interfaz IEEE488

El cable IEEE488

 Posee 16 líneas reunidas en tres grupos de acuerdo con sus funciones: 8 de bus de datos, 3 de bus de control de transferencia de datos y 5 de bus general.  Las 16 líneas configuran el llamado bus IEEE488 cuya máxima velocidad de transmisión está sobre 1 Mbps en el estándar original y en 8 Mbps con IEEE-488.1-2003 (HS-488). El lenguaje de comandos SCPI

 Se trata de un conjunto de comandos utilizados por los diferentes fabricantes de equipos electrónicos para que estos puedan ser controlados de forma remota.  SCPI= Standard Commands for Programmable Instruments.  Son comandos escritos en código ASCII que se transmiten electrónicamente a través de las interfaces más usuales (RS232, USB, IEEE488,…) utilizando los lenguajes de programación existentes (C, C++, Visual Basic, Lab View and HP VEE). MEASure:VOLTage:DC? Se ordena al equipo que se configure para medir tensión DC MEASure:VOLTage:DC:RATio? Ídem pero ahora la relación entre dos tensiones DC MEASure:CURRent:AC? Se ordena al equipo que se configure para medir corriente AC 39 Sistemas electrónicos de instrumentación y medida

SAD y SDS

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