AKVIZICIJA PODATAKA Potrebe za akvizicijom q Dananji svet

AKVIZICIJA PODATAKA

Potrebe za akvizicijom q Današnji svet skoro u potpunosti funkcioniše na odlukama koje se zasnivaju na prikupljanju podataka i njihovoj daljoj analizi. v Dete prvo stavi nogu u vodi da bi odredilo temperaturu pre nego što zagnjuri. v Osiguravajuće društvo prikupi obiman materijal statističkog tipa pre nego što odredi rizik i ustanovi premije. q U suštini postoji onoliko sistema za prikupljanje podatka koliko postoji i tipova podataka.

Definicija akvizije podataka Akvizicija podataka je proces pomoću koga fizički fenomeni iz realnog sveta se transformišu u električne signale koji se mere i konvertuju u digitalni format za potrebe procesiranja, analize, i memorisanja od strane računara. Kod najvećeg broja aplikacija DAS (Data Acquisition System) je projektovan ne samo da prikuplja podatke nego i da preuzima odgovarajuće upravaljačke akcije. Zbog toga definicija DAS-a treba da se proširi ne samo na aspekte pribavljanja nego i na upravljanje radom sistema. Note: Definicija : Elektronski instrument, ili grupa medjusobno povezanih elektronskih hardverskih komponenti, namenjenih za merenje i kvantizaciju analognih signala i prihvatanje digitalnih, u cilju digitalne analize ili obrade i preduzimanje povratno-upravljačkih akcija.

Analogni interfejs digitalnom svetu

Osnovni elementi DAS-a q senzori i pretvarači q kabliranje q kondicioniranje signala q hardver za akviziciju q računar uključujući operativni sistem q softver za akviziciju podataka

Funkcionalni dijagram DAS-a

Pretvarači i senzori q Pretvarači i senzori ostvaruju interfejs izmedju realnog sveta sa jedne i DAS-a sa druge strane, konvertujući fizičke fenomene u električne signale koje zatim prihvata hardver za kondicioniranje i akviziciju. q Pretvarači mogu da obave bilo koji tip merenja fizičke veličine i generišu električni signal. Tipični reprezenti su termospregovi, IC senzori, itd. Note: Funkcija senzora: v prihvata signale od relevantnih parametara procesa. v konvertuje energiju iz jedne fizičke forme u drugu.

Šest energetskih domena q Postoji šest važnih energetskuh domena izmedju kojih se vrši konverzija. v hemijski, v mehanički, v magnetni, v radijacioni, v termički i v električni. Note: Konverzija se vrši prema električnom domenu jer su električni signali najpogodniji za modifikaciju.

Tipični uredjaji - pretvarači signala Izlaz radijacioni mehanički termički električni radijacioni optički filtar Golay-ova ćelija solarimetar solarna ćelija mehanički kremen menjač termički temper. osetljivi LCD bimetal LED zvučnik magnetni magnetooptički modulator magnetno kvačilo hemijski sveća eksplozioni motor magnetni hemijski Ulaz električni fotografski proces električni generator izmenjivač toplote termopar MOSFET kalem adijabatski demagneter Hall-ova ploča magnetno kolo gasni grejač p. H merna ćelija baterija hemijski proces

Efekti konverzije signala Izlaz radijacioni mehanički termički električni magnetni hemijski radijacioni fotoluminiscencija radijacioni pritisak radijaciono zagrevanje fotoprovodnost fotomagnetni efekat fotohemijski efekat mehanički foto-elastični efekat konzervativni moment frikciono zagrevanje piezoelektr. efekat magnetostrikcija pritiskom indukovana eksplozija termički usijavanje termička ekspanzija provodjenje toplote Seebeck-ov efekat Curie-Weissov zakon električni injektivna lumuniscencija piezo-elektr. efekat Peltier-ov efekat p-n spoja Amperov zakon magnetni Faradejev efekat magnetostrikcija Ettinghausenov efekat Hall-ov efekat magnetna indukcija hemijski hemoluminiscencija reakcija eksplozije egzotermička reakcija Voltin efekat Ulaz elektroliza hemijska reakcija

Kabliranje q Kabliranje se odnosi na fizičko povezivanje pretvarača i senzora sa hardverom za kondicioniranje signala i/ili hardveraom za akviziciju podataka q Kada je kondicioniranje signala i/ili hardver za akviziciju podataka udaljen od računara tada se kabliranjem ostvaruje fizička veza izmedju ova dva hardverska elementa i host-a q Ako je fizička veza izvedena kao RS-232 ili RS-485 komunikacioni interfejs tada se ova komponenta kabliranja često naziva komunikaciono kabliranje q Kabliranje je po dimenzijama najveća fizička komponenta, i podložna je efektima spoljašnjeg šuma, a posebno uticaju smetnji od industrijskih postrojenja Note: Korektno kabliranje i širmovanje je od izuzetne važnosti za smanjenje efekta šuma

Kondicioniranje signala q Električne signale generisane od strane pretvarača često je potrebno konvertovati u oblik koji je prihvatljiv od strane hardvera za akviziciju podataka, posebno AD konvertora koji konvertuje primljeni signal u željeni digitalni format q Osnovni zadaci koje obavlja blok za signal kondicioniranje su: v filtriranje v pojačanje v linearizacija v izolacija v pobuda (neki od pretvarača za korektni rad zahtevaju strujne ili naponske pobudne signale)

Hardver za akviziciju q Hardver za akviziciju se može definisati kao komponenta DAS-a koja obavlja sledeće funkcije: v Procesiranje i konverzija ulaznih analognih signala u digitalni format v Prihvatanje digitalnih ulaznih signala v Procesiranje digitalnih signala i konverziaj u analogni format v Generisanje digitalnih izlaznih signala

Softver za akviziciju q Hardver za akviziciju ne radi bez softvera q Za programiranje hardvera postoje tri dostupne opcije: v Direktno programiranje hardvera za akviziciju v Korišćenje drajverskih rutina vrlo niskog nivoa v Korišćenje off-the-shelf aplikacionog softvera tipa Lab. VIEW

Domeni podataka q Sa aspekta metrologije, sve veličine čiju vrednost procenjujemo, delimo na ne-električne i električne. Ne-električne veličine su one koje pripadaju magnetnom, hemijskom, radijacionom, mehaničkom i termičkom energetskom domenu. q Skup energetskih domena karakterističnih za ne-električne veličine, nazivamo zajedničkim imenom fizički domen. q Kod električnog energetskog domena, razlikujemo tri forme električnih signala, a to su: v analogna forma : amplitude struje i napona predstavljaju relevantan odziv v vremenska forma : vremenski odnos izmedju nivoa signala se koristi da opiše neku veličinu v digitalna forma: racionalan broj predstavlja mereni podatak

Domeni podataka i pod-domeni

Analogni domen q Merenje podataka u ovom pod-domenu se svodi na merenje amplitude struje ili napona. q Signal u ovom domenu je kontinualno promenljiva veličina koja se može neprekidno procenjivati u vremenu ili diskretno meriti u bilo kom trenutku q Analogni signali mogu pripadati jednom od sledeća četiri oblika: v naelektrisanje, v napon, v struja, v snaga.

Vremenski domen q Merenje podataka u ovom domenu sastoji se u odredjivanju promene vrednosti signala u odredjenim vremenskim trenucima, q Najčešći oblici procene vrednosti signala su: v odredjivanje frekvencije periodičnih talasnih oblika, v odredjivanje vremenskog perioda izmedju dva impulsa, v odredjivanje fazne razlike merenog talasnog oblika u odnosu na referentni talasni oblik. q Osnovna tri pod-domena koja pripadaju vremenskom domenu su: v frekvencija v širina impulsa v fazna razlika

Digitalni domen q Podatke čine signali koji imaju samo dva nivoa: visoko (digitalna 1) i nisko (digitalna 0), q Standardno, ovi signali predstavljaju kodirani oblik celobrojnih brojeva ili standardnih znakova. q Postoje tri glavne forme digitalnih signala: v serijski podaci - predstavljaju se nizom impulsa koji se prenose kanalom v paralelni podaci - predstavljaju skup impulsa koji se simultano prenose po većem broju kanala. v brojački impulsi - frekvencija impulsa predstavlja relevantan podatak.

Proces merenja - prelaz iz jednog domena u drugi q Proces merenja se može razmatrati kao skup ulančanih interdomenskih prelaza tj. konverzija i intradomenskih prelaza tj. kondicioniranje. q Za prelaz signala ili skupa podataka iz jednog domena podataka u drugi potrebno je ugraditi posebna kola ili odgovarajuće elektronske sklopove. q Ugradnjom elektronskih sklopova i posebnih kola unose se inherentne greške tj. pogoršava se tačnost i linearnost, unosi se dodatno kašnjenje signala. . .

Kako smanjiti greške u merenju q Sa aspekta merenja, greške su uvek javljaju kada se vrši prelaz iz jednog domena u drugi. q Uvek se teži da se u toku merenja ostvari minimalni broj interdomenskih prelaza. q Analizirajmo merenje ubrzanja pomoću piezoelektričnog akcelerometra

Merenje ubrzanja pomoću induktivnog akcelerometra

Primer: merenje temperature termistorom

Primer: merenje temperature kristalnim oscilatorom

Primer: merenje temperature analognim instrumentom

Vremenska zavisnost Veličina koju procenjujemo u toku procesa merenja se menja

Zašto se koriste DAS-ovi ? q DAS-ovi se koriste za merenje i arhiviranje signala koji se generišu bilo kao: v signali koji potiču od direktnog merenja električnih veličina: v napona, v struje, v otpora, v frekvencije v signali koji potiču od transdjusera kao što su termoparovi, "strain gages", i dr.

Tipovi DAS-ova q Instrumentacioni sistemi, koji se kod DAS-va koriste za procenu ulazne veličine, mogu se podeliti u sledeće dve glavne klase: v analogni - mere informaciju u analognom obliku. v digitalni - obradjuju informaciju u digitalnoj formi.

Analogni DAS-ovi q Obično, analogni DAS čine neki ili svi nabrojani sastavni blokovi: v transdjuseri v signal-kondicioneri v uredjaji za vizuelni prikaz v instrumenti za grafički zapis v instrumenti sa magnetnom trakom v satni mehanizam

Blok šema analognog DAS-a

Digitalni DAS – blok šema q Veliki broj DAS-ova danas se realizuje kao digitalni.

DAS sa paralelnom A/D konverzijom na svakom ulazu

Komponente instrumenta

Blok dijagram analognog instrumenta

Blok dijagram tipičnog mikroinstrumenta

Komponente tipičnog digitalnog instrumenta

Tipični mikroprocesorski zasnovan prenosivi instrument

Blok dijagram mikrokontrolera u sistemu za akviziciju

Mesto i uloga multipleksera kod DAS-a

Struktura S/H kola

Struktura fotodiode

IC temperaturni senzor

IC pretvarač slike

Blok dijagram pametnog senzora

Inteligentna multi-senzorska čip konfiguracija

Potrebne discipline za RF dizajn

Komponente predajnika i bazne stanice kod bežičnog telefonskog sistema

Primeri kodiranja

Karakteristike celularnih telefonskih sistema

Primeri dostupnih fieldbus-ova

Povezivanje senzora, instrumenata i kontrolera na Fieldbus

Osnovni elementi senzora

Savremeni industrijski instrumentacioni sistem

Izgled CAN mreže u laboratorijskom okruženju

Oblasti aplikacije Fieldbus-ova u industriji

Osnovne komponente telemetrijskog sistema

Blok dijagram multi-kanalnog telemetrijskog sistema

Izvori šuma u komunikacionim sistemima

Diferencijalni ulaz

Diferencijalni ulaz i širmovanje

Galvanska izolacija kod DAS-a

Transformatorska galvanska izolacija

Optička galvanska izolacija

Uticaj napona na zajedničkim krajevima

Induktivne smetnje

Tipična DAS plug-in-play pločica

Asimetričan ulaz

Simetričan ulaz

Idealna prenosna funkcija 3 -bitni A/D konvertora

Ofset greška + 1 LSB

Greška – pozitivno pojačanje

Diferencijalna nelinearnost

Integralna nelinearnost u odnosu na ulaz

Integralna nelinearnost u odnosu na najbolje fitovanje

Najčešće konfiguracije q Najčešće konfiguracije koje srećemo kod DAS-ova su sledeće: v Računarsko plug-in U/I - plug-in U/I ploče se direktno ugradjuju u slotove proširenja računara v Distribuirani U/I - senzori su locirani na udaljenim lokacijama u odnosu na računar u kome se vrši procesiranje i memroisanje podataka v Samostalni ili distribuirani logger-i i kontroleri - obično se baziraju na ugradnju inteligentnih modula za kondicioniranje signala v IEEE-488 instrumenti - komunikacioni standard za prenos podataka izmedju programibilnih test instrumenata