Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual Arquitectura de un sistema de Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
• Adquisición de datos
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*¿Qué es la adquisición de Datos? La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital).
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Se toma un conjunto de señales físicas, para convertirlas en señales eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ)
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La adquisición de datos utiliza una combinación de medición de hardware y software basado en PC para proporcionar un sistema de medición flexible y definido por el usuario.
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• Clasificación de señales
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Señales Digitales Digital
• Solo dos niveles posibles: – Alto/On (2 - 5 Volts) – Bajo/Off (0 - 0.8 Volts)
• Dos tipos de información: – Estado – Frecuencia
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Información de la Señal Digital Digital Estado
Frecuencia
Señales Analógicas
Analog Señales contínuas • Pueden variar sus valores en forma contínua con el tiempo
Tiene tres tipos de información: • Amplitud • Forma • Frecuencia
Información de la Señal Analógica Nivel
Nivel
Analog
Forma
Frecuencia
Analysis Required
¿Porque Acondicionamos la señal?
Señal de bajo nivel con ruido
Señal Filtrada y amplificada
– El acondicionamiento de señales permite al DAQ realizar mas fácilmente las mediciones – No siempre se requiere acondicionamiento de las señales, depende de la señal que se quiera medir
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Acondicionamiento de señales • Analógicas
• Digitales
• • • • • • • •
• • • • • • • • • • • • • •
• Adaptación: – Amplificación. – Escalado. – Filtrado. • Aislamiento eléctrico. • Operaciones: – Linealización. – Comparación con límites o
umbrales. • • •
– Detección de fallos. – Integración. – Diferenciación.
• Amplitud: – Conversión de niveles. – Eliminación de rebotes. – Escuadrado. (hacer la señal más cuadrada) • Tiempo: – Adición de retardos. – Ampliación de pulsos. – Detectores de flancos. • Frecuencia: – Multiplicadores y divisores. – Osciladores. • Comparación de fase.
Introducción a la Instrumentación Virtual Amplificación - Es el tipo más común de acondicionamiento. Para conseguir la mayor precisión posible la señal de entrada deber ser amplificada de modo que su máximo nivel coincida con la máxima tensión que el convertidor pueda leer Escalado - es un tipo de proceso de amplificación que consiste en llevar a la señal a un rango determinado de valores, generalmente normalizados Filtrado - El fin del filtro es eliminar las señales no deseadas de la señal que estamos observando. Por ejemplo, en las señales cuasi-continuas, (como la temperatura) se usa un filtro de ruido de unos 4 Hz, que eliminará interferencias, incluidos los 50/60 Hz de la red eléctrica. Las señales alternas, tales como la vibración, necesitan un tipo distinto de filtro, conocido como filtro antialiasing, que es un filtro pasabajo pero con un corte muy brusco, que elimina totalmente las señales de mayor frecuencia que la máxima a medir, ya que se si no se eliminasen aparecerían superpuestas a la señal medida, con el consiguiente error.
Introducción a la Instrumentación Virtual Aislamiento eléctrico - Otra aplicación habitual en el acondicionamiento de la señal es el aislamiento eléctrico entre el transductor y el ordenador, para proteger al mismo de transitorios de alta tensión que puedan dañarlo. Un motivo adicional para usar aislamiento es el garantizar que las lecturas del convertidor no son afectadas por diferencias en el potencial de masa o por tensiones en modo común. Linealización - Muchos transductores, como los termopares, presentan una respuesta no lineal ante cambios lineales en los parámetros que están siendo medidos. Aunque la linealización puede realizarse mediante métodos numéricos en el sistema de adquisición de datos, suele ser una buena idea el hacer esta corrección mediante circuitería externa. Excitación - La etapa de acondicionamiento de señal a veces genera excitación para algunos transductores, como por ejemplos para las galgas "extesométricas“ o para los "termistores“, que necesitan de la misma, bien por su constitución interna, (como el termistor, que es una resistencia variable con la temperatura) o bien por la configuración en que se conectan (como el caso de las galgas, que se suelen montar en un puente de Wheatstone).
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Compensación de juntura fría – pasa muchas veces que las termocuplas tienen la juntura fría a temperatura ambiente, o sea que como la termocupla está calibrada para 0º, hay que dar un voltaje de compensación por la diferencia con la temperatura ambiente
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Formas de Transmisión de la Señal Paralelo
Multiplexado
Tiene la ventaja de ser mas rápido, pues todas las señales se transmiten simultáneamente. Su desventaja es el costo de cableado y la complejidad de la instalación, pues lleva un cable por sensor
Tiene la ventaja de ser muy simple en su cableado, pues utiliza un solo cable. Su desventaja es la poca velocidad que tiene, siendo mas lento cuanto mayor es el número de canales
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Canal 1
Sensor 1
Acondicinador 1
ADC 1
Canal 1
Sensor 2
Acondicinador 2
ADC 2
Canal n
Sensor n
Acondicinador n
ADC n
PROCESADOR
Canales en Paralelo
DAC
Salida
Introducción a la Instrumentación Virtual Multiplexado se señales:
Multiplexor
Demultiplexor
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Canal 1
Sensor 1
Acondicinador 1
Canal 1
Sensor 2
Acondicinador 2
Canal n
Sensor n
Acondicinador n
MULTIPLEXOR ANALÓGICO
Canales multiplexados
ADC
Procesador
Salida DAC
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Señales en modo común:
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Señales en modo diferencial:
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Multiplexor Multiplexor
Canales de entrada analógicos
Canales simples o diferenciales
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Armado Modular (según nuestras necesidades)
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Rack o Gabinete con Bahías
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Rack armado con placas de distinta procedencia
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Medios de intercomunicación:
Los buses
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Buses de comunicación Un bus es un camino de comunicación entre dos o más dispositivos. Se caracteriza esencialmente por ser un medio de comunicación compartido. D1
D3
BUS
E/S
E/S D2 Controlador
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Elementos básicos de un bus • Líneas de datos • Líneas de dirección • Líneas de control DATA
D1
DIR
CON
D2
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Características de los buses Tipo de líneas • Dedicadas Ejemplo: CLK, RST# • Multiplexadas (con diversos usos) Ejemplo: AD[31:0] • Método de arbitraje (maestro-esclavo) • Centralizado Ejemplo: ISA • Distribuido Ejemplo: PCI
•
Nota. Bus Master: dispositivos capaces de tomar el control del bus
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Clasificación de buses Según el tipo de sincronismo: •Buses síncronos • Cuando la temporización de transferencia de datos es fija. • La temporización de la transferencia está fijada por el reloj del maestro. • Si existe la posibilidad de que el dispositivo esclavo introduzca ciclos de espera → Buses semisíncronos.
•Buses asíncronos • Cuando la temporización de transferencia se ajusta al dispositivo a controlar → Handshake.
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Clasificación de buses Según el modo de acceso • Buses paralelo: acceso a datos simultáneo Ejemplo: PCI • Buses serie: acceso a datos secuencial Ejemplo: RS-232
Según el tipo de aplicación: • Buses de sistema o internos • Buses de entrada/salida • Buses de instrumentación
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Clasificación de buses Buses de sistema • Diseñados inicialmente para transferencias de datos ente la CPU y la memoria. • Los buses internos de los microprocesadores se pueden incluir en esta categoría. • Ejemplo de evolución: Bus ISA → PCI de Intel ISA 8 BITS
PCI 32 BITS
ISA 16 BITS
PCI 64 BITS
…
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Clasificación de buses Buses de entrada/salida • Permiten que varios dispositivos de I/O estén conectados a un mismo bus paralelo o serie con señales de control. • Se utilizan cables en lugar de back-plane slots. • Ejemplo de evolución:
Bus SCSI (Small Computer System Interface) SCSI-1
40 MBps
SCSI-2 wide wide & fast
80 MBps
SCSI-3 Ultra
160 MBps
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Clasificación de buses Buses de instrumentación • Son buses específicamente diseñados para integrar instrumentos Cables • Ejemplos: • GPIB/HPIB/IEEE-488 paralelo • GPIB/HPIB/IEEE-488Bus Bus paralelo • IEEE-1174 (RS232) serie • IEEE-1174 (RS232) Bus Bus serie -----------------------------------------------------•VME bus Racks • VME bus Racks Racks • VXI • VXI busbus • CompactPCI • CompactPCI • PXI, PXIe • PXI, PXIe
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Buses de instrumentación Racks
Cables • RS-232C RS-485
PCI , Compact PCI, PXI
• USB
PCI express, PXIexpress
• Firewire / IEEE 1394
PCMCIA
• Ethernet
VME, VXI
• GPIB / IEEE 488
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Interfaces Interfaz RS-232 RS-422 RS-485 RS: Recommended Standard
RS-232 Instrument
PC Serial Port
RS-232 Cable
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Bus RS-232 Interfaz serie inicialmente especificado para conectar computadores (DTE) a modems (DCE) • Cable formado por 2 líneas de datos + 6 de control + 1 de masa • Señales de ±5 V a ±15 V. Lógica neg. • Transmisión Full Duplex (TXD y RXD simultáneas) • 20 Kbit/s sobre distancias de 17 m • 200 Kbit/s sobre cortas distancias
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Interfaz RS-232 Características del conector DB-9 1
6 DCD: Data Carrier Detect RxD: Received Data TxD: Transmited Data Comm: Commun (Masa)
5
Pin
DTE DCE
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Input Output I O O I O I I O O I I O I O
DCD RxD TxD DTR Com DSR RTS CTS RI
9 DSR: Data set Ready RTS: Request to Send CLS: Clear to Send RI: Ring Indicator
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Interfaz RS-232 Comunicación entre DTE y DCE DTE: Data Terminal Equipment DCE: Data Communication Equipment
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Interfaz RS-232 Señales básicas de datos Full Duplex Con control Sw
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Interfaz RS-232 Control mediante Sw
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Interfaz RS-232 Señales básicas Full Duplex Con control Hw
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Interfaz RS-232 Control mediante Hw Datos
RTS
RTS
Control
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Interfaz RS-232 Ejemplo de configuración en Microsoft Windows
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Interfaz IEEE-1174 Nuevo estándar de interfaz serie para instrumentación programable basado en RS-232 (1174.0) + 1174.1 + 1174.2 para emulación del interfaz IEEE-488
48
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Bus RS-422. Diferencial RS-422 interfaz serie con señales eléctricas diferenciales ⇒ mayor inmunidad al ruido y distancias más Señales min. de ±2 V largas que RS-232 • Utilizado por los computadores Apple Macintosh hasta 1999 • Conductor con cuatro cables • Permite hasta 10 receptores • 100 Kbit/s sobre distancias de 1200 m • 1 Mbit/s sobre cortas distancias 49
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Bus RS-422. Diferencial Señales complementarias
Ruido VENTAJAS 1. El ruido suele afectar a ambas señales por igual ⇒ el valor diferencia es bastante inmune a las perturbaciones 2. Al tener un carácter complementario las transiciones ⇒ produce una perturbación menor a los cables externos 50
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Bus RS-485. Red multipunto RS-485 interfaz serie con señales eléctricas diferenciales permitiendo receptores y emisores múltiples • Adecuado para redes de dispositivos • Permite hasta 32 unidades. • 10 Mbit/s hasta distancias de 100 m • 2 o 4 líneas www.rs485.com/rs485spec.html
51
Señales min. de ±1.5 V
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Bus RS-485 Señales Half Duplex y Full Duplex
Nota: El bus RS-485 está inicialmente pensado para transmisión Half Duplex a 2 hilos. También permite la transmisión Full Duplex utilizando 4 hilos 52
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Revisión general de otros buses serie utilizados en instrumentación
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Bus SPI SPI (Serial Peripheral Interface) • Bus serie con cuatro hilos, síncrono y bidireccional: • Señales: clock, data in, data out y chip select para cada circuito integrado que tiene que ser controlado. • comunicación full-duplex • Se utiliza especialmente para la interconexión de un microcontrolador con sus periféricos. • Implementación en Hw o Sw extremadamente simple • Los dispositivos Slave usan el reloj que envía el master • No permite fácilmente tener varios Masters conectados al bus
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CLK Din Dout CS
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Bus I2C I2C (Inter Integrated Circuit Bus) • Bus serie con dos hilos, síncrono y bidireccional. • Fue desarrollado por Philips en 1980. • Se utiliza especialmente para la interconexión de un microcontrolador con sus periféricos (Convertidor A/D, EEPROM, driver LCD, RTC,.. ) u otros microcontroladores. • Señales: SDA (Serial DAta) y SCL (Serial CLock) El dispositivo puede trabajar como receptor o como transmisor, dependiendo de sus funciones. • Cada dispositivo tiene su propia dirección de 7 bits que consta de una parte fija (4 bits internos del chip ) y de una parte variable (3 bits del dispositivo).
55
SDA SCL
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Bus USB
www.usb.org
USB (Universal Serial Bus) • • • • •
56
Bus serie para conectar dispositivos periféricos USB 1.1 define dos velocidades: 1.5 y 12 Mbps USB 2.0 velocidades hasta 480 Mbps USB 3.0 velocidades hasta 4,8 Gbps Nota. USB 2.0 es 40x más rápido que USB 1.1 [USB 2.0] Compuesto de 4 hilos: [(Vcc, GND), (D-, D+ (par trenzado)) ]
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Bus USB USB (Universal Serial Bus) • Puede suministrar un máximo de 500mA para alimentación de los dispositivos • Tres tipos de componentes: Host, Hub y peripheral • Soporta hasta 127 dispositivos. Host to peripheral • Plug&Play and Hot Pluggable Conector 57
USB HUB
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Bus USB Utilización de bloques IP (VHDL) para USB Product Function
USB 2.0
TranTransceiver
3rd Party VHDL ASIC Serial Interface Engine Device Hardware
Device Specific Logic
Endpoint Logic Endpoint Logic
…
Endpoint Logic 58
SIE Control Logic
USB 2.0 USB 2.0 Transceiver
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Bus FireWire / IEEE 1394a/b/c Estándar IEEE-1394 • • • • • • •
a partir de 1955 [Apple] Bus serie para conectar dispositivos periféricos de gran ancho de banda (Inic. para multimedia) Velocidad hasta 400 Mbps, 800 Mbps y 6,4Gbps en el futuro Compuesto de 6 hilos:[Vcc,Gnd,(Data±),(Strobe±)] Puede suministrar alimentación a los dispositivos Soporta hasta 63 dispositivos. Peer to peer Multimaestro; permite DMA (≠ USB) & memorymapped devices Plug&Play and Hot Pluggable Originalmente
59
desarrollado por Apple
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Bus FireWire / IEEE 1394a/b/c Estándar IEE-1394. Aplicaciones multimedia
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Bus FireWire / IEEE 1394a/b/c Estándar IEEE-1394. Conexiones multimedia
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Bus FireWire / IEEE 1394a/b/c Estándar IEEE-1394. Conexiones para instrumentación GPIB y VXI
VXI-1394
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Tabla comparativa de buses BUS Serial RS-232 common Serial RS-232 max Serial RS-422 max USB Full Speed (USB 1.1) USB Hi-Speed (USB 2.0) FireWire (IEEE 1394) 400 FireWire (IEEE 1394b) 800 FireWire (IEEE 1394b) 1600 FireWire (IEEE 1394b) 3200 External SATA
Velocidad 9.6 kbit/s 230.4 kbit/s 10 Mbit/s 12 Mbit/s 480 Mbit/s 393.216 Mbit/s 786.432 Mbit/s 1.572864 Gbit/s 3.145728 Gbit/s 2.4 Gbit/s 63
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Ethernet LAN (Local Area Network)
IEEE 802.3 xx Revisión básica
• Cableado más usual UTP (par trenzado no apantallado)
• Velocidades: 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gb/s, 10Gb/s, → 40Gb/s, 100Gb/s (IEEE P802.3ba) • Protocolo CSMA CD Carrier Sense Multiple Access Collision Detect Comprobación de existencia de transmisión por parte de otra estación antes de enviar. Pueden existir colisiones. En este caso se para la transmisión y se intenta después de un intervalo de tiempo aleatorio
64
www.lxistandard.org
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Ethernet LAN (Local Area Network)
IEEE 802.3 xx Revisión básica
• Empleado ampliamente en sistemas para adquisición de datos. • Mediante TCPIP → Conexión a Internet
65
www.lxistandard.org
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Ethernet LAN (Local Area Network)
IEEE 802.3 xx Revisión básica
• Cableado más usual UTP (par trenzado no apantallado)
• Velocidades: 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gb/s, 10Gb/s • Protocolo CSMA CD Carrier Sense Multiple Access Collision Detect Comprobación de existencia de transmisión por parte de otra estación antes de enviar. Pueden existir colisiones. En este caso se para la transmisión y se intenta después de un intervalo de tiempo aleatorio
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www.lxistandard.org
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Bluetooth Tecnología de comunicación sin hilos • Para conexión entre dispositivos próximos vía radio en la banda científica y médica de 2,4 a 2,8 GHz mediante un pequeño microchip (→ bajo coste) • Dos tipos de alcance: hasta 10 m y hasta 100 m • Garantiza que sólo las unidades autorizadas puedan comunicarse • La señal está continuamente saltando entre 79 frecuencias en el rango de 1 MHz (1600 veces en un segundo) → Alta inmunidad • Conexiones punto-a-punto y punto-a-multipunto 67
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Bus de instrumentación GPIB
68
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Bus HP-IB / GPIB / IEEE-488 GPIB Instrument
GPIB Interface
GPIB Cable
En 1965 HP diseña el bus paralelo HP-IB (Hewlett Packard Interface Bus) para sistemas de instrumentación
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Standards Introduction 1965
• HP designs HP-IB (Hewlett Packard Interface Bus)
1975
• HP-IB becomes IEEE 488 (250KB/s)
1987
• IEEE 488.2 adopted (1MB/s) IEEE 488 becomes IEEE 488.1
1990
• SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) added to IEEE 488.2
1992
• IEEE 488.2 revised
1993
• HS488 (High speed extension ) proposed (8MB/s)
1999
• HS488 approved
70
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Bus GPIB / IEEE-488 General Purpose Interface Bus • Introducido por Hewlett-Packard en 1965 (HPIB) • Velocidad 250KB/s → 1MBps • Protocolo de transferencia de mensajes asíncrono byte serie C • 3 Tipos de dispositivos: • Controllers T L ... • Talkers • Listener L 71
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Bus GPIB / IEEE-488
Descripción del cable y conectores
72
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Bus GPIB / IEEE-488 Características físicas generales • Cable coaxial paralelo de 24 conductores • Conector y base en cada terminal
• Máxima longitud de separación 20 metros • Máxima separación entre dispositivos 4 metros • Separación media entre dispositivos 2 metros • Conexión en estrella o lineal
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Bus GPIB / IEEE-488 Direcciones Se permiten hasta 15 dispositivos • Direcciones primarias 0..30 Cada dispositivo puede contener un conjunto de subdirecciones • Direcciones secundarias 0..30
Niveles lógicos • Niveles TTL • Lógica negativa 74
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Bus GPIB / IEEE-488 Conector americano 24 Pins.
DIO1 DIO2 DIO3 DIO4 EOI DAV NRFD NDAC IFC SRQ ATN SHIELD
1 13
12 24
DIO5 DIO6 DIO7 DIO8 REN GND (TW PAIR W/DAV) GND (TW PAIR W/NRFD) GND (TW PAIR W/NDAC) GND (TW PAIR W/IFC) GND (TW PAIR W/SRQ) GND (TW PAIR W/ATN) SIGNAL GROUND
Nota: TW=Twisted 75
Nota: El conector europeo (IEC 625-1) tiene 25 Pins
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Bus GPIB / IEEE-488 Estructura de las señales del Conector
76
16 señales
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Bus GPIB / IEEE-488 16 Líneas de señal: • 8 líneas de datos • DIO[1:8] • 3 líneas de handshake • NRFD (Not Ready for Data) [Disponible] • NDAC (Not Data Accepted) [Aceptado] • DAV (Data Valid) [Válido] • 5 líneas de interface management • ATN, EOI, IFC, REN, SQR (→ ...) • 8 Líneas de tierra 77
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Bus GPIB / IEEE-488 Device A Able to Talk Listen and Control
EOI REM SRQ ATN IFC NDAC NRFD DAV
Device B Able to Talk and Listen
Device C Able to Listen Only
Device D Able to Talk Only
General Bus Management
Handshake Lines
Data Bus DIO 1 - 8
78
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IEEE-488.1 IEEE-488.2 SCPI
División multinivel de un interfaz IEEE-488.1 Especificaciones mecánicas, eléctricas. Funciones básicas de control y handshaking
IEEE-488.2 Estructura de datos y sintaxis. Ordenes y consultas comunes Protocolo de mensajes. Secuencias de control
SCPI Formato de intercambio de datos. Ordenes jerárquicas normalizadas 79
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IEEE-488.1 y IEEE-488.2 • Estándar IEEE-488 → IEEE-488.1 Ejemplos: DCL (Device Clear Command) REN (Remote Enable Command)
• Estándar IEEE-488.2 Definición más precisa de la comunicación: • Protocolos de intercambios de mensajes • Sintaxis y formatos de datos • Ordenes generales y peticiones de estado Ejemplos: *TRG (Trigger Command) *CAL (Calibration Query) *RST (Reset Commahd) 80
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SCPI Standard Commands Programmable Instruments: 1990 Definición de un jerárquico lenguaje común para instrumentos programables basado en una estructura común Standard Commands for Programmable Instrumentation (SCPI) is a consistent set of commands and responses regardless of supplier or instrument type.
Ejemplo de comando de configuración: MEAS:VOLT:AC 81
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Bus VME
Estándar inicialmente definido por Motorola para el MC68000 en 1979 • Especificación de dimensiones físicas de las placas, Back-plane, chasis y eléctricas. IEEE-1014 • Cuatro sub-buses: transferencia de datos, arbitraje, prioridad de interrupciones y utilidades (power, clocks, ...) • Varios protocolos de comunicación. Permite DMA • Bus de datos y direcciones de 32 bits • Transferencias asíncronas de datos: 8,16 y 32 bits • Modo de transferencia de bloques (256 bytes) • VME64 permite la trasferencia en modo 64 bits utilizando D0:31 y A0:31
VXI: VME eXtension Instrumentation ... 82
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Bus VXI
83
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Rack VXI
84
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Sistema VXI
85
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BUS PCI
Peripheral Component Interconnect • • • •
CK: 33 MHz / 66 MHz Data: 32 bits /64 bits Datos y direcciones multiplexados Plug&Play. Espacio de configuración. Modo Burst para lectura y escritura
CompactPCI • Compatible eléctricamente con PCI • Conectores y factores de forma de bus VME Eurocard 3U o 6U • Consorcio de fabricantes (>500)
PXI: PCI eXtension Instrumentation 86
...
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PCI Express PCI Express es un bus alta velocidad, de propositos generales, serial point-to-point I/O interconectando computadoras y otras plataformas de comunicaciones A
B
87
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PCI Express Interconexión diferencial serie 2.5 Gb/s unidireccional dual de baja tensión (+/- 0.3V)
PCI Express 2: 5Gb/s speed PCI Express = Ancho de banda sin compartir 88
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PCI Express • Conexión serie punto a punto • 2.5Gb/s por señal y dirección: BW útil = 2.5Gb/s
PCI Express Device
Clock
PCI Express Device
Clock
0.8 = 2Gb/s
• Ancho de banda por dirección 1x,
2x, 4x, 8x, 16x, 32x
0.25 0.5 1
2
4
8
GB/s
En cada dirección • Bus compatible con PCI. • Espacio de configuración extendido con respecto a PCI
PCI Express. Principales características 89
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PCI Express
Ancho de Banda Escalable Soporta I/O & graficos Aumento mejor que ×30 respecto del PCI
16X 8X 4X 1X
PCI Express. Factores de forma 90
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Bus PXI
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Introducción a la Instrumentación Virtual
Rack PXI
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Introducción a la Instrumentación Virtual
Rack PXIe
Ejemplo 8-Slot PXI Express Chassis for PXI and PXI Express Modules • 4 PXI slots
• 1 PXI Express system timing slot • 2 PXI Express hybrid slots 93
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Bus PXI Bus PCI+ Señales de disparo (trigger) adicionales
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Introducción a la Instrumentación Virtual
Características del bus y plataforma PXI Modular Instrumentation
“The New PC Platform for Measurement and Automation”
IAD
NI DTF FI UPM
95
1
Introducción a la Instrumentación Virtual
Niveles de comunicación
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Arquitectura Software
Interfaz de comunicación
SCPI
VISA
IVI LabVIEW CVI C++, etc
Interface Board (GPIB, PXI, VXI, etc.)
Niveles software 97
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Niveles de comunicación. VISA VISA: Virtual Instrument Software Architecture
Virtual Instrument Software Architecture
VISA Serial
GPIB
VXI
PXI
Standard API para instrumentos programables
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– Plataforma independiente (→ → SCPI commands) – Interfaz independiente – Interfaz a instrumentos con bus Serial, GPIB VXI – → VISA es la columna vertebral de IVI
Introducción a la Instrumentación Virtual
Niveles de comunicación. VISA VISA: Virtual Instrument Software Architecture
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Niveles de comunicación. VISA VISA: Virtual Instrument Software Architecture
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Niveles de comunicación. IVI IVI: Interchangeable Virtual Instrument www.ivifoundation.org ¿Qué es IVI? Interchangeable Virtual Instrument IVI drivers Objetivo Mediante una librería IVI, el programador puede emplear rutinas estándar de alto nivel sin necesidad de conocer los comandos SCPI de cada instrumento
Ejemplo hp33120a_ConfigureStandardWaveform (Generador, "1", HP33120A_VAL_WFM_SINE, amplitud, 0.00, frecuencia*1e3, 0.00); 101
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Niveles de comunicación. IVI IVI: Interchangeable Virtual Instrument
Ventajas de IVI Utilización de VISA (independizando la programación del interfaz utilizado) Facilidad de intercambio de instrumentos (tipo y fabricante) Posibilidad de trabajar con instrumentos simulados durante el desarrollo Posibilidad de acceso a los instrumentos mediante una caché de estado, para optimizar el tráfico del bus, cambiando el estado del instrumento de forma incremental. • Posibilidad de programación multihilo. • • • •
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Buses de actuadores–sensores Se han presentado múltiples iniciativas: Interbus-S de Phoenix Contact AS-i (Actuador-Sensor Interface) DeviceNet (Controller Area Network CAN)
Buses de campo Se han presentado múltiples iniciativas: Bitbus de Intel FIP de origen francés PROFIBUS de origen alemán Comité ISA SP 50
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Requisitos para el Bus de Sensores/Actuadores
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Field Buses Buses de campo
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Field Buses Buses de campo • Son redes de área local dedicadas a adquisición de datos y control de sensores y actuadores • El medio físico es usualmente un par trenzado de bajo coste • Están optimizados para mensajes cortos punto a punto • Gran Nº de estándares: Profibus, Interbus, CAN, etc. • Mercado con gran expansión. Iniciado en la industria química y petroquímica (1994). •106Conexión en estrella y lineal
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Características de un Bus de Campo Diseñado para transmitir pequeñas cantidades de datos Cubrir necesidades de tiempo real Tener gran compatibilidad electromagnética Número reducido de estaciones Fácil configuración Protocolos simples y limitados Bajos costes de conexión Pseudoconsistente con el modelo OSI de ISO
Ventajas que Aporta Reducir coste de cableado de la instalación Facilita la ampliación o reducción de elementos Permite integrar los dispositivos menos inteligentes
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Buses de Campo Los buses de campo conectan actuadores, controladores, sensores y dispositivos similares en el nivel inferior de la estructura jerárquica de la automatización industrial. Una arquitectura de bus de campo es un sistema abierto de tiempo real. Pero no necesariamente ha de conformarse con el modelo OSI de 7 capas, pues es más importante que la conexión sea de bajo coste y alta fiabilidad frente a las posibilidades de interconexión a redes generales
Introducción a la Instrumentación Virtual
Estructura de Capas del Bus de Campo La configuración más ampliamente consensuada es la de tres capas, correspondientes a las capas física, de enlace de datos y de aplicación. También usualmente se considera la capa de usuario.
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Modelos de Relación de Aplicación Maestro-Esclavo: Una entidad gobierna todos los servicios de transacción.
Orden ----------> Respuesta Productor-Consumidor: Cada entidad produce información, que adquieren los consumidores.
Consumo Indicación Confirmación Adquisición
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Tipos de Buses de Campo
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Bus CAN
ISO 11898
CAN (Controller Area Network) • Bus serie de campo inicialmente definido para vehículos. Desarrollado por Bosch • CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acces Collision Avoidance • ISO 11898 • 1 Mbps. (velocidad típica) • Bus serie síncrono • Diseñado para baja tasa de errores • Bus tipo Broadcast. Cada nodo reacciona sólo a los mensajes de su interés 113
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Bus CAN CAN (Controller Area Network) • Señales con dos tipos de estados: • Dominante (0) y Recesivo (1). Cableado lógico tipo And
• Protocolo CAN: • • •
Varios niveles físicos Mensajes por tramas Reglas de arbitraje para la transmisión de mensajes.
• Comparación bit a bit del campo de arbitraje • Los conflictos se resuelven mediante: El paso Dominante → Recesivo (del nodo no dominante). • Condición: dos nodos no pueden tener transmitir el mismo campo de arbitraje • 114
Detección y tratamiento de errores realizado por el IC que implementa el protocolo CAN.
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Bus CAN. Ejemplo de aplicación Emergency call Information Roadside assistance
Telematics processor SAF3100
GPS Front End UAA1570HL
GSM / CDMA Phone Module
I²C
CAN TX TJA1050 CA N
Radio Front-End NICE TEA6840H
Wheel Sensors / ABS: Speed pulse Gearbox: Forward/Reverse Diagnostics system / Climate Control 115
Airbag
Direction
Speech recognition HelloIC SBF1005
Mic.
Radio Baseband CarDSP or CASP SAA7706H/TEA6880A
Gyro
Philips
LS
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Tipos de Buses de Campo
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Planificación de Redes – Estrategia Americana
Introducción a la Instrumentación Virtual
Planificación de Redes – Estrategia Europea
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Hardware de Adquisición de Datos
Señal de Entrada Placa DAQ Computer Cable Placa Acondicionadora
• La placa DAQ convierte a la PC en un • Sistema de medición y automatización
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Hardware de Adquisición de Datos
Sensores Placa DAQ Computer Cable Placa Acondicionadora
• La placa DAQ convierte a la PC en un • Sistema de medición y automatización
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Componentes de una placa DAQ Real-Time System Integration (RTSI) Bus – Se usa para sincronizar multiples dispositivos DAQ – Permite compartir la temporización y las señales de disparo entre los dispositivos
I/O Connector – Conecta sus señales (a través de la placa acondicionadora y el cable) a la placa DAQ
Computer I/O Interface Circuitry – Conecta la DAQ a la computadora – Puede tener distintas estructuras de BUS • PCI, PCI Express, PXI/Compact PCI, ISA/AT, • PCMCIA, USB, IEEE 1394 (Firewire)
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Componentes de una placa DAQ Circuitería de Entrada Analógica – Multiplexor (mux) Envía su salida al amplificador de instrumentación – Amplificador de Instrumentación
Multiplexor
Amplificador de Instrumentación
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Componentes de una placa DAQ Circuitería de Entrada Analog-to-Digital Analógica Converter (ADC) ––Multiplexor (mux) Convierte señales Envía su salida al analogicas a valores amplificador Digitales de instrumentación – Se usa para las –entradas Amplificador de analógicas Instrumentación
Multiplexor
Amplificador de Instrumentación
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Componentes de una placa DAQ Circuitería de Entrada Analog-to-Digital Analógica Converter (ADC) ––Multiplexor (mux) Convierte señales – Convierte unalvalor digital Envía su salida analogicas a valores a una señal analógica amplificador Digitales de – Se usa para las salidas instrumentación – Se usa para las analógicas –entradas Amplificador de analógicas Instrumentación
Multiplexor
Amplificador de Instrumentación
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Componentes de una placa DAQ Circuitería de Entrada Analog-to-Digital Analógica Digital I/O Circuitry Converter (ADC) ––Multiplexor (mux) y Sirve para entradas Convierte señales – Convierte unalvalor digital Envía su salida salidas digitales analogicas a valores a una señalde analógica amplificador –Digitales No puede medir – Se usa para las salidas instrumentación frecuencia – Se usa para las analógicas – Amplificador de -entradas No tieneanalógicas asociado Instrumentación circuitos de temporización
Multiplexor
Amplificador de Instrumentación
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Componentes de una placa DAQ Circuitería de Entrada Analog-to-Digital Circuito Contador Analógica Digital Circuitry (ADC) –Converter Es deI/O Entrada/Salida de – Multiplexor (mux) para entradas –Sirve Convierte señales y señales digitales – Convierte unalvalor digital Envía su salida salidas digitales analogicas a valores de – aPermite mediciones una señal analógica amplificador de – No puede medir Digitales frecuencia – Se usa para las salidas instrumentación frecuencia – Se usa - analógicas Tiene unpara relojlas y temporizador – Amplificador de -asociado No tieneanalógicas asociado entradas Instrumentación circuitos de temporización
Multiplexor
Amplificador de Instrumentación
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Características de Interés en las DAQ Resolución • Es el número de bits que el ADC usa para representar la señal • Determina cuantos valores de voltaje se pueden representar • Example: resolución de 12-bit Nº de niveles = 2resolución = 212 = 4,096 niveles • Largo de palabra = da idea de la precisión en la representación de la señal. Coincide con la reslución
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Ejemplo de Resolución: • Con 3 bits de resolución se pueden representar 8 niveles de voltaje • Con 16 bits de resolución se pueden representar 65,536 niveles de voltage 16-Bit Versus 3-Bit Resolution (5kHz Sine Wave) 10.00 111
8.75 7.50
110
6.25
101
Amplitude 5.00 (volts) 3.75
100
2.50
010
1.25
001
0
16-bit resolution 3-bit resolution
011
|
0
000 |
|
|
|
50
100 Time (µ µs)
150
200
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Rango – Mínimos y maximos voltages que el ADC puede digitalizar – Las placas DAQ generalmente vienen en los rangos • 0 to +10 volts • -10 to +10 volts
– Seleccionar el rango adecuado a la aplicación – Mínimo rango = representación mas precisa de la señal • Esto permite usar toda la resolución disponible
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Range •Rango Apropiado
Range = 0 to +10 volts
– Usando 8 niveles para representar la señal
(5kHz Sine Wave)
10.00 8.75 7.50 6.25 Amplitude 5.00 (volts) 3.75 2.50 1.25 0| 0
111 110 101 100 011 010
3-bit resolution
001 000 |
|
50
100 Time (µ µs)
(5kHz Sine Wave) 111 110 101 100 011 010 001 000 |
50
– Solo usa 4 niveles para representar la señal
3-bit resolution
|
100 Time (µ µs)
|
200
•Rango inapropiado
Range = -10 to +10 volts 10.00 7.50 5.00 2.50 Amplitude 0 (volts) -2.50 -5.00 -7.50 -10.00 |
|
150
|
150
|
200
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Ganancia – El ajuste de la ganancia permite amplificar la señal para el mejor ajuste en el rango de ADC. La ganancia varía entre 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 50, or 100 en la mayoría de las placas – La ganancia no se puede seleccionar, en general se ajusta en forma automática o por software – Ganancia Apropiada = representación mas precisa de la señal – Permite utilizar toda la resolución disponible
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Ejemplo de Ganancia
• Límites de la señal de entrada = 0 to 5 Volts • Selección del rango de ADC = 0 to 10 Volts • Ganancia aplicada al amplificador de instrumentación = 2
Diferentes Ganancias para 16 bits de Resolución (Onda senoidal de 5kHz) 10.00 8.75
Ganancia = 2
7.50 6.25 Amplitud (volts)
Señal Original
5.00 3.75 2.50 1.25 0
|
|
|
|
|
0
50
100
150
200
Tiempo (µ µs)
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Amplitud de Código(Code Width) – Es el menor cambio de señal que es posible detectar, está determinado por la resolución, el rango y la ganancia Amplitud de código =
rango e: * 2 resolution ganancia 12
– Una pequeña Amplitud de código= mas precisa representación de la señal – Ejemplo: un dispositivo de 12 bits, rango = 0 to 10V, ganancia = 1 Rango ganancia* 2resolución
=
10 1*
212
= 2,4 mV
Si el rango aumenta a 20 => 4,8 mV Si aumenta la ganancia a 100 => 24µV
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Otros parámetros: Tipo de Conversor (Doble rampa, Aproximaciones sucesivas, Flash, ∆ - ∑) lo que determina el tiempo de conversión. Número de canales Tipo de aislación de entrada y salida (con reles, acople magnético, opto aislado) RRMC (Relación de rechazo en modo común) RRMD (Relación de rechazo en modo diferencial)
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Data logger También datalogger o data recorder, es un dispositivo electrónico que registra datos en el tiempo o en relación a la ubicación ya sea con un instrumento que incluye al sensor o por medio de instrumentos y sensores externos. Normalmente se basan en un procesador digital (o computadora). Por lo general son pequeños, con pilas, portátiles, y están equipadas con un microprocesador, memoria interna para almacenamiento de datos y sensores.
Introducción a la Instrumentación Virtual Algunos registradores de datos tienen interfaz con una PC y utilizan el software para activar el registrador de datos y ver y analizar los datos recogidos. Otros tienen un dispositivo de interfaz local (teclado, pantalla LCD) y puede ser utilizado como un dispositivo independiente. Los registradores de datos varían entre los de uso general para una serie de aplicaciones de medición a los productos muy específicos para la medición en un entorno o aplicación únicamente. Es común que los tipos generales sean programables sin embargo muchos siguen siendo máquinas estáticas con un número limitado o nulo parámetros modificables. Registradores de datos electrónicos han reemplazado a los registradores poligráficos en muchas aplicaciones. Uno de los principales beneficios del uso de registradores de datos es la capacidad de recopilar automáticamente datos durante las 24 horas del día.
Introducción a la Instrumentación Virtual Tras la activación, los registradores de datos suelen ser dejarse sin atención para medir y registrar la información durante el período de seguimiento. Esto permite una visión clara y precisa de las condiciones ambientales objeto de vigilancia, tales como la temperatura del aire y la humedad relativa. El costo de registradores de datos ha ido disminuyendo con los años con la mejora de la tecnología rediciendo los costos. Un registrador de un solo canal puede costar tan poco como U$s 25. Registradores de mas canales pueden costar cientos o miles de dólares.
