Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

1

Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

2

Achiziţia de semnal presupune existenţa unei plăci de achiziţie cuplate la un calculator/ laptop sau

inclusa intr-un data logger, a unor traductoare de semnal şi a unei aplicaţii (software) capabile să

înregistreze, să interpreteze şi să prezinte semnalele reale (figura 1).

Data logger-ul (figura 2), este un dispozitiv (device) electronic

utilizat pentru a efectua operaţii de achizttie si stocare de date în

vederea unor utilizări ulterioare. Pentru păstrarea si prelucrarea

datelor achiziţionate de data logger, acestea se transferă pe

computere. In anumite situatii, un sistem tip data logger este

capabil si sa prelucreze si sa prezinte datele achizitionate.

Placa de achiziţie are rolul de a asigura conversia semnalului

analogic primit de la traductor sau de la un sistem de conditionare

a semnalui, în semnal digital (figura 3). Ea poate îndeplini şi alte

funcţii precum generarea de semnale analogice, comunicaţii

digitale, numărare (cronometrare) prin primirea şi transmiterea de

semnale sub formă de impulsuri.

Traductoarele sondează lumea reală, “culeg”

semnale analogice ( ex: sunete, radiaţii luminoase,

etc.) şi le transformă în semnale electrice pe care le

va prelua placa de achiziţie. Ele sunt microfoane,

fotorezistente, celule fotovoltaice, termocupluri, etc.

În majoritatea situaţiilor se utilizează sisteme de

conditionare a semnalui (filtre, amplificatoare) care

asigură compatibilitatea semnalului electric cu placa

Figura 1

Figura 3

Figura 2

Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

3

de achiziţie si realizeaza, in unele situatii, o prelucrare primara a semnalului.

În figura 4 apare schema unuia dintre cele mai simple sisteme de achiziţie de semnal. Semnalul

provine de la bornele unei bobine în interiorul căreia oscilează un magnet suspendat la capătul liber

al unui resort elastic sau al unui fir inextensibil (pendul gravitaţional). El este generat prin fenomenul

de inducţie electromagnetică: în timpul mişcării magnetului, câmpul magnetic prin spirele bobinei

variază ceea ce duce la apariţia unui curent electric variabil în spire, deci la o tensiune variabilă la

bornele bobinei. În figura 5 puteţi observa dispozitivul experimental şi semnalul înregistrat în timpul

oscilaţiei unui pendul gravitaţional constituit dintr-un magnet bară, deasupra unei bobine.

Figura 5

Figura 4

Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

4

În ceea ce priveşte senzorii utilizaţi vom descrie pe scurt modul cum lucrează un sistem de achiziţie

având ca senzor un microfon (figura 6).

Microfonul înregistrază vibraţiile sonore emise

de un diapazon, pe care le transformă în tensiune

electrică variabilă. Aceasta este transmisă plăcii

de achiziţie care o va converti în cod binar. Sub

această formă semnalul poate fi înregistrat,

analizat şi prezentat sub diferite forme pe

monitorul computerului.

Figura 6

Figura 7

Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

5

Placa de achiziţie poate efectua şi conversia

semnalului binar în semnal analogic care să fie

preluat în acest caz de boxele care îl vor

transforma din nou în vibraţii sonore.

În figura 9 puteţi observa câteva tipuri de plăci de achiziţie pe care le vom utiliza pe parcursul acestor

lucrări experimentale.

Prima dintre ele, numită Go!Link, are un singur canal de achiziţie şi se cuplează cu

computerul pe portul USB, fiind uşor de utilizat. Lucrează cu software-ul specializat intitulat Go!

Logger Lite care permite colectarea şi prezentarea datelor experimentale, reprezentarea lor grafică în

timp real, examinarea datelor punct cu punct, etichetarea seriilor de date înregistrate. Un număr mare

de senzori Vernier poate fi cuplat cu această interfaţă: sonde de temperatură, senzori de lumină, de

pH, de conductivitate, etc. Puteţi vedea lista completă la http://www.vernier.com/go/golink.html.Este

suficient să conectaţi senzorul dorit, să cuplaţi interfaţa pe portul USB al computerului şi să accesaţi

aplicaţia Logger Lite. Senzorul va fi recunoscut automat de către software-ul specific. Prin clic pe

butonul Collect puteţi începe achiziţia semnalului. În figura 10 apare un montaj experimental destinat

barbotării apei de ploaie. Un senzor de pH este cuplat prin intermediul interfeţei Go!Link cu un

Figura 9

Figura 8

Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

6

computer. În figura 11 este prezentat rezultatul înregistrat: variaţia în timp a pH-ului apei de ploaie în

care se suflă dioxid de carbon din plămâni.

Figura11

Aplicaţia software Logger Lite este uşor de utilizat având meniuri şi butoane asemănătoare

aplicaţiilor din pachetul Microsoft Office.

Figura10

Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

7

Meniul Experiment (figura 12), ne pune la dispoziţie posibilităţi de reglare a parametrilor achiziţiei

prin opţiunea Data Collection.

Aceasta permite controlul duratei de achiziţie a semnalului şi a ratei de eşantionare care reprezintă

numărul de eşantioane achiziţionate pe secundă, deci numărul de conversii analog-digitale efectuate

într-o secundă (figura13).

Interfaţa LabPro poate funcţiona atât în conexiune cu computerul cât şi de sine stătător ca şi data

logger. Are 6 canale de intrare, pe care poate colecta simultan semnale. Are şi un canal de ieşire

analogică prin care se pot controla dispozitive electrice precum motoare de curent continuu,

ventilatoare, leduri.

Figura 12

Figura13

Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

8

Interfaţa SensorDAQ (figura 14), este o placă de achiziţie care comunică cu computerul prin USB şi

care detectează automat senzorii Vernier (găsiţi detalii la adresa

http://www.vernier.com/mbl/sensordaq.html). Are 4 canale analogice de intrare şi unul digital. Fiind

rezultatul colaborării dintre Vernier şi National Instruments, lucrează cu mediul de programare

grafică LabVIEW.

Figura14 În 1986 National Instruments prezenta oamenilor de ştiinţă mediul de programare grafica numit

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) ca fiind un software foarte util

pentru crearea, dezvoltarea şi modificarea sistemelor de aparate şi instrumente de măsură.

Având principii generale de utilizare ce pot fi asimilate în câteva ore, acesta permite extensii catre

cele mai avansate domenii ale programării calculatoarelor: conectarea şi înglobarea aplicaţiilor,

comunicaţiile pe Internet, prelucrarea de sunete şi de imagini. Scopul LabVIEW a fost să simplifice

sarcinile de programare, astfel încât oamenii de ştiinţă să exploateze la maxim capacitaţile

calculatoarelor şi în acelaşi timp să finalizeze cu uşurinta şi în timp util activităţile.

Programele scrise în acest limbaj sunt numite instrumente virtuale (VI-uri), pentru că prin utilizarea

calculatorului şi a acestor programe se pot măsura fenomene fizice sau se pot controla diferite

procese.

În LabVIEW realizarea unui program se face prin desenarea schemei logice a programului,

renunţându-se la utilizarea instrucţiunilor, prin folosirea de simboluri grafice sugestive.

Programatorul proiectează:

- Panoul-interfaţa grafică cu utilizatorul- unde se primesc datele de intrare şi se vor afişa datele de

ieşire.

Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

9

-Diagrama - codul grafic al sursei- care conţine algoritmul după care se vor efectua calculele şi

raţionamentele specifice.

În figurile 15 şi 16 sunt prezentate panoul frontal şi diagrama aplicaţiei scrise în LabView pentru

montajul experimental din figura 6, utilizat pentru înregistrări sonore.

Figura15

Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

10

Figura16

Pentru cunoscătorii de LabVIEW 6.1 vom prezenta funcţiile pentru

achiziţie, pentru prelucrare şi pentru analiza de semnale.

Dispunerea unei funcţii în diagramă începe cu selectarea simbolului corespunzător din paleta de

funcţii. Dupa selectarea simbolului funcţiei, se deplasează cursorul mouse-ului până în poziţia din

diagramă în care se doreşte dispunerea. Atâta timp cât cursorul mouse-ului este deplasat, simbolul

funcţiei va fi reprezentat împreună cu terminalele corespunzătoare datelor proprii de intrare şi de

ieşire.

Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

11

Functia AI Acquire Waveform achiziţionează un număr specificat de eşantioane de la un singur

canal analogic cu o anumită rată de eşantionare returnând datele achiziţionate şi are următoarele

terminale pentru date de intrare:

- Device - indicele plăcii utilizate

- Channel - indicele canalului de intrare analogică utilizat

- Rata de eşantionare - reprezintă numărul de eşantioane achiziţionate pe secundă, deci numărul de

conversii analog-digitale efectuate într-o secundă. Valoarea implicită este 1000 samples/s.

- Numarul de eşantioane - reprezintă numărul de “citiri” efectuate până la terminarea achiziţiei.

La terminalul pentru ieşire se află variabila waveforms de tipul Array, care conţine valorile

semnalelor electrice analogice măsurate, exprimate în volţi.

Semnalul achiziţionat este însoţit de “zgomot” datorat interferenţelor electromagnetice şi de radiofrecvenţă.

Pentru filtrare se utilizează un filtru digital IIR care va elimina din zgomot prin selecţia semnalului dintr-un

interval dat de frecvenţă.

Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

12

Cum lucrează un sistem pentru achiziţia computerizată de semnale reale?

13

Structura While permite achiziţionarea repetitivă a câte 1000 de eşantioane în acest caz. În meniul

Waveform se găsesc funcţii pentru prelucrarea şi analizarea semnalului achiziţionat.

Referent de specialitate: Dr. Dan Sporea, Institutul National pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei

Go!Link, Go!LoggerLite, SensorDAQ sunt marci inregistrate ale companiei Vernier International, SUA.

LabVIEW este marca iunregistrata a companiei National Instruments, SUA.