ppt

Report
AKVIZICIJA PODATAKA
Potrebe za akvizicijom
 Današnji svet skoro u potpunosti funkcioniše na odlukama koje se
zasnivaju na prikupljanju podataka i njihovoj daljoj analizi.
 Dete prvo stavi nogu u vodi da bi odredilo temperaturu pre nego
što zagnjuri.
 Osiguravajuće društvo prikupi obiman materijal statističkog tipa
pre nego što odredi rizik i ustanovi premije.
 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
neelektri~ni
domen




Fizi~ki
Hemijski
Poziciono, na
skali instrumenta
Brojevi
Analogni
transliranje
transdjuseri (merni pretvara~i)






Struja
Napon
Snaga
Frekfencija
Vreme
Faza
Digitalni
transliranje
 Paralelni
 Serijski
kodirani
 Brojanje
serijski
sistemi za akviziciju podataka
analiza ili
proces
Osnovni elementi DAS-a
 senzori i pretvarači
 kabliranje
 kondicioniranje signala
 hardver za akviziciju
 računar uključujući operativni sistem
 softver za akviziciju podataka
Funkcionalni
dijagram
DAS-a
Pretvarači i senzori
 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.
 Pretvarači mogu da obave bilo koji tip merenja fizičke veličine i
generišu električni signal. Tipični reprezenti su termospregovi, IC senzori,
itd.
Note:
Funkcija senzora:
 prihvata signale od relevantnih parametara procesa.
 konvertuje energiju iz jedne fizičke forme u drugu.
Šest energetskih domena
 Postoji šest važnih energetskuh domena izmedju kojih se vrši konverzija.
 hemijski,
radijacioni
 mehanički,
hemijski
mahani~ki
 magnetni,
 radijacioni,
termi~ki
magnentni
 termički i
 električni.
elektri~ni
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
fotografski
proces
električni
generator
izmenjivač
toplote
termopar
električni
MOSFET
kalem
adijabatski
demagneter
Hall-ova
ploča
magnetno
kolo
gasni grejač
pH 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
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
 Kabliranje se odnosi na fizičko povezivanje pretvarača i senzora sa
hardverom za kondicioniranje signala i/ili hardveraom za akviziciju podataka
 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
 Ako je fizička veza izvedena kao RS-232 ili RS-485 komunikacioni interfejs
tada se ova komponenta kabliranja često naziva komunikaciono kabliranje
 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
 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
 Osnovni zadaci koje obavlja blok za signal kondicioniranje su:
 filtriranje
 pojačanje
 linearizacija
 izolacija
 pobuda (neki od pretvarača za korektni rad zahtevaju strujne ili
naponske pobudne signale)
Hardver za akviziciju
 Hardver za akviziciju se može definisati kao komponenta DAS-a koja
obavlja sledeće funkcije:
 Procesiranje i konverzija ulaznih analognih signala u digitalni format
 Prihvatanje digitalnih ulaznih signala
 Procesiranje digitalnih signala i konverziaj u analogni format
 Generisanje digitalnih izlaznih signala
Softver za akviziciju
 Hardver za akviziciju ne radi bez softvera
 Za programiranje hardvera postoje tri dostupne opcije:
 Direktno programiranje hardvera za akviziciju
 Korišćenje drajverskih rutina vrlo niskog nivoa
 Korišćenje off-the-shelf aplikacionog softvera tipa LabVIEW
Domeni podataka

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.

Skup energetskih domena karakterističnih za ne-električne veličine,
nazivamo zajedničkim imenom fizički domen.

Kod električnog energetskog domena, razlikujemo tri forme
električnih signala, a to su:
 analogna forma : amplitude struje i napona predstavljaju
relevantan odziv
 vremenska forma : vremenski odnos izmedju nivoa signala se
koristi da opiše neku veličinu
 digitalna forma: racionalan broj predstavlja mereni podatak
Domeni podataka i pod-domeni
Analogni domen
 Merenje podataka u ovom pod-domenu se svodi na merenje amplitude
struje ili napona.
 Signal u ovom domenu je kontinualno promenljiva veličina koja se
može neprekidno procenjivati u vremenu ili diskretno meriti u bilo kom
trenutku
 Analogni signali mogu pripadati jednom od sledeća četiri oblika:
 naelektrisanje,
naelektrisanje
 napon,
 struja,
 snaga.
napon
struja
snaga
Vremenski domen
 Merenje podataka u ovom domenu sastoji se u odredjivanju promene
vrednosti signala u odredjenim vremenskim trenucima,
 Najčešći oblici procene vrednosti signala su:
 odredjivanje frekvencije periodičnih talasnih oblika,
 odredjivanje vremenskog perioda izmedju dva impulsa,
 odredjivanje fazne razlike merenog talasnog oblika u odnosu
na referentni talasni oblik.
 fazna razlika
fazna razlika
 širina impulsa
{irina impulsa
 frekvencija
nfrekvencija
 Osnovna tri pod-domena koja
pripadaju vremenskom domenu su:
Digitalni domen
 Podatke čine signali koji imaju samo dva nivoa: visoko (digitalna 1) i
nisko (digitalna 0),
 Standardno, ovi signali predstavljaju kodirani oblik celobrojnih brojeva ili
standardnih znakova.
 Postoje tri glavne forme digitalnih signala:
 serijski podaci - predstavljaju se nizom
impulsa koji se prenose kanalom
 paralelni podaci - predstavljaju skup
impulsa koji se simultano prenose po većem
broju kanala.
 brojački impulsi - frekvencija impulsa
predstavlja relevantan podatak.
paralelni impulsi
serijski impulsi
brojivi
impulsi
Proces merenja - prelaz iz jednog domena u drugi
 Proces merenja se može razmatrati kao skup ulančanih interdomenskih
prelaza tj. konverzija i intradomenskih prelaza tj. kondicioniranje.
 Za prelaz signala ili skupa podataka iz jednog domena podataka u drugi
potrebno je ugraditi posebna kola ili odgovarajuće elektronske sklopove.
 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
 Sa aspekta merenja, greške su uvek javljaju kada se vrši prelaz iz jednog
domena u drugi.
 Uvek se teži da se u toku merenja ostvari minimalni broj interdomenskih
prelaza.
 Analizirajmo merenje ubrzanja pomoću piezoelektričnog akcelerometra
fizi~ke
karakteristike
pozicija skale
ubrzanje
3
broj
1
3
naelektrisanje
2
napon
struja
analogni
domen
snaga
domen
opa` anja
Merenje ubrzanja pomoću induktivnog
akcelerometra
fizi~ke
karakteristike
pozicija skale
ubrzanje
2
naelektrisanje
1
napon
struja
snaga
broj
2
domen
opa` anja
Primer: merenje temperature termistorom
Primer: merenje temperature kristalnim
oscilatorom
vremenski domen
temperaturno
osetljivi kristaloscilator
ft
digitalni
frekvencmetar
komparator
frekvencija
fr
stabilni
referentni
oscilator
O^ ITAVANJE
digitalni domen
fizi~ke
karakteristike
temperatura
4
3
1
2
frekvencija
brojivi
impulsi
broj
paralelni
signal
Primer: merenje temperature analognim
instrumentom
pozicija
skale
fizi~ke
karakteristike
2
temperatura
napon
1
Vremenska zavisnost
Veličina koju procenjujemo u toku procesa merenja se menja
Zašto se koriste DAS-ovi ?
 DAS-ovi se koriste za merenje i arhiviranje signala koji se generišu bilo
kao:
 signali koji potiču od direktnog merenja električnih veličina:
 napona,
 struje,
 otpora,
 frekvencije
 signali koji potiču od transdjusera kao što su termoparovi, "strain
gages", i dr.
Tipovi DAS-ova
 Instrumentacioni sistemi, koji se kod DAS-va koriste za procenu ulazne
veličine, mogu se podeliti u sledeće dve glavne klase:
 analogni - mere informaciju u analognom obliku.
 digitalni - obradjuju informaciju u digitalnoj formi.
Analogni DAS-ovi
 Obično, analogni DAS čine neki ili svi nabrojani sastavni blokovi:
 transdjuseri
 signal-kondicioneri
 uredjaji za vizuelni prikaz
 instrumenti za grafički zapis
 instrumenti sa magnetnom trakom
 satni mehanizam
Blok šema analognog DAS-a
komutator
transdjuser
1
kondicioner
siganala
vizualni
prikaz
.
.
.
gravi~ki
zapis
magnetni
zapis
transdjuser
n
kondicioner
siganala
satni
mehanizam
Digitalni DAS – blok šema
 Veliki broj DAS-ova danas se realizuje kao digitalni.
digitalni
takt
analogni ulazi
zavisi od
tipa
kondicionira
nja signala
analogni
MUX
kondicioner
signala
ra~unar
A/D
konvertor
izlazni
bafer
digitalni
zapis
digitalni ulazi
upravlja~ki
sistem
digitalni
MUX
ulaz za
ru~no uno{enje
podataka
sklopovi za
zapis/obradu
DAS sa paralelnom A/D konverzijom na
svakom ulazu
ulaz 1
signal
kondicioner
ulaz 2
signal
kondicioner
A/D
...
...
signal
kondicioner
A/D
ulaz n
A/D
digitalni
MUX
izlazni
ure| aj
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
 Najčešće konfiguracije koje srećemo kod DAS-ova su sledeće:
 Računarsko plug-in U/I
- plug-in U/I ploče se direktno ugradjuju u slotove proširenja računara
 Distribuirani U/I
- senzori su locirani na udaljenim lokacijama u odnosu na računar u
kome se vrši procesiranje i memroisanje podataka
 Samostalni ili distribuirani logger-i i kontroleri
- obično se baziraju na ugradnju inteligentnih modula za kondicioniranje
signala
 IEEE-488 instrumenti
- komunikacioni standard za prenos podataka izmedju programibilnih
test instrumenata
Primeri: Računarskih plug-in U/I ploča
Primeri: Distribuirani U/I –digitalno primopredajnimoduli
Samostalni logger-i/kontroleri – korišćenjem PCMCIA
kartica
Povezivanje saamostalnih logger-a preko RS-232
serijskog interfejsa
Povezivanje logger-a preko telefonske
ili radio komunikacione mreže
Distribuirana logger/kontroler mreža
IEEE-488 programibilni iinstrumenti
Idealna prenosna karakteristika ADC-a
Idealna prenosna karakteristika DAC-a
Ofset greška
Greška pojačanja
Diferencijalna nelinearnost - DNL
Integralna nelinearnost (INL)
Apsolutna tačnost

similar documents