SISTEME DE ACHIZIŢIE ŞI

INTERFEŢE DE PROCES

- Suport de curs -

CUPRINS

CAP. 1. ARHITECTURA INTERFEŢELOR DE PROCES 1 1.1. INTRODUCERE 1 1.2. STRUCTURI ALE INTERFEŢELOR DE PROCES. SUBSISTEME COMPONENTE 2 CAP. 2. FUNCŢIILE INTERFEŢELOR DE PROCES.

CONDIŢIONAREA SEMNALELOR 6 2.1. CONVERSII DE SEMNAL 7

2.2. IZOLARE GALVANICĂ ŞI PROTECŢII 9 2.3. AMPLIFICAREA SEMNALELOR 10 2.4. OPERAŢIA DE LINIARIZARE 17

2.5. FILTRAREA SEMNALELOR 18 2.5.1. Tipuri de filtre 18 2.5.2. Consideraţii privind filtrarea şi fenomenul de aliasing 20

2.5.3. Filtre numerice 23

CAP. 3. CONVERSII NUMERIC-ANALOGICE ŞI ANALOG-NUMERICE 33

3.1. CODURI NUMERICE BINARE 34 3.1.1. Coduri binare unipolare 34

3.1.2. Coduri binare bipolare 35 3.2. CONVERTOARE NUMERIC-ANALOGICE (CNA) 36

3.2.1. Reconstituirea semnalelor 36 3.2.2. Tipuri de CNA 37

3.3. CONVERTOARE ANALOG-NUMERICE (CAN) 39 3.3.1. Eşantionarea şi cuantificarea semnalelor 39

3.3.2. Indicatori de performanţă ai CAN 40 3.3.3. Intrări şi ieşiri ale CAN 43

3.3.4. Tehnici de conversie şi tipuri de CAN 44 CAP. 4. PLĂCI DE EXTENSIE. MAGISTRALE ŞI PORTURI 48 4.1. PLĂCI DE EXTENSIE 48

4.1.1.Tipuri de plăci de bază 48 4.1.2. Tipuri de plăci de extensie 50

4.2. MAGISTRALE DE EXTENSIE 53 4.2.1. Standardul ISA/EISA 54 4.2.2. Standardul PCI 55

4.3. PORTURI PERIFERICE. INTERFEŢE SERIALE ŞI PARALELE PENTRU TRANSFERUL DATELOR 57 4.4. CANALE DMA. SISTEMUL DE ÎNTRERUPERI 60

CAP. 5. SISTEME DE ACHIZIŢIE ŞI CONDUCERE 64 5.1. STRUCTURA SISTEMELOR DE ACHIZIŢIE ŞI CONDUCERE 64

5.1.1. Definiţii. Clasificări 64 5.1.2. Comparaţie între hardware-ul de achiziţie de uz general şi instrumentele speciale 65

5.1.3. Sisteme de achiziţie a datelor cu multiplexare temporală 68 5.1.4. Sisteme de achiziţie sincronă a datelor 69 5.1.5. Sisteme rapide de achiziţie a datelor 69 5.1.6. Structura generală a unui sistem de achiziţie şi conducere de tip instrument virtual 70 5.1.7. Structura unei plăci de achiziţie a datelor 72

5.2. INTRĂRI ANALOGICE 74 5.2.1. Tipuri de semnale şi de surse de semnal 74 5.2.2. Configurarea intrărilor analogice 75

5.3. TEHNICI DE ACHIZIŢIE 79 5.3.1. Achiziţii de date mono-canal şi multi-canal. Achiziţii mono-punct şi multi-punct 79 5.3.2. Modul de achiziţie/generare a datelor dublu bufferat (double-buffered) 80 5.3.3. Controlul achiziţiilor de date cu semnale de tip trigger 85 5.3.4. Controlul vitezei de achiziţie a datelor 88

5.4. IEŞIRI ANALOGICE 90 5.4.1. Configurarea ieşirilor analogice 90 5.4.2. Generarea datelor pe ieşirile analogice 90

5.5. INTRĂRI/IEŞIRI NUMERICE 91 5.6. EXEMPLE DE PLĂCI DE ACHIZIŢIE 93

5.6.1. Placa didactică de achiziţie ARTAN PC+ 93 5.6.2. Placa de achiziţie AT-MIO-16 (National Instruments) 99 5.6.3. Placa de achiziţie MultiQ-PCI (Quanser Consulting) 107 BIBLIOGRAFIE 111

1

CAP. 1. ARHITECTURA INTERFEŢELOR DE PROCES

1.1. INTRODUCERE Sistemele de calcul nu pot exista fără comunicarea cu mediul extern, comunicare ce

presupune primirea de la mediu şi returnarea către mediu a informaţiilor. În particular, interfaţa cu mediul extern are o importanţă esenţială în cadrul sistemelor informatice industriale, referindu-ne aici în special la sistemele de conducere cu calculatorul a proceselor.

Într-un calculator, procesorul şi memoria centrală constituie părţile principale, şi prin urmare transmiterea informaţiilor se realizează cu precădere între aceste două unităţi. Cu toate acestea, pentru realizarea eficientă a sarcinilor sale, procesorul trebuie să primească din exterior programe, iar rezultatele prelucrărilor trebuie să fie returnate către utilizator. Trebuie să existe un dialog cu periferice de tipul imprimantelor, plăci fax/modem etc., în cazul utilizărilor „obişnuite” ale calculatorului, sau cu traductoare şi elemente de execuţie în cazul monitorizării şi conducerii unor procese. Perifericele care lucrează cu calculatorul sunt deci foarte diverse, în special din punct de vedere al vitezei, care este de regulă inferioară vitezei microprocesorului. De aici rezultă necesitatea unei adaptări a semnalelor, a interfaţării perifericului cu calculatorul. Această funcţie este asigurată de către un adaptor de interfaţă, denumit simplu şi interfaţă, care converteşte semnalele de la echipamentul periferic în semnale normalizate care pot fi transmise procesorului pe un canal intrare/ieşire. Deoarece traficul aferent fiecărui periferic este în general scăzut, canalele intrare/ieşire sunt de regulă multiplexate.

Această problemă capătă o importanţă deosebită în cadrul sistemelor de conducere cu calculatorul a proceselor (şi în general în cadrul sistemelor de conducere numerice – dăm aici exemplul regulatoarelor numerice, organizate ca structură în jurul unui microcontroller).

Sisteme de conducere numerice industriale implică în general un număr mare de traductoare şi de elemente de execuţie, analogice şi numerice. Elementele sensibile (senzorii) ale traductoarelor transformă mărimile măsurate în tensiune, curent, rezistenţă etc., ale căror valori diferă mult de la un dispozitiv la altul. Tensiunile pot fi de la milivolţi la zeci de volţi. De asemenea, semnalele necesare elementelor de execuţie pot avea nivele de putere mult diferite în funcţie de aplicaţia concretă. Sistemele de conducere industriale trebuie să dispună de echipamente care să convertească semnalele de la senzori în semnale numerice standardizate care pot fi prelucrate de către calculator. În plus, trebuie să existe circuite care să convertească datele numerice furnizate de către calculator în semnale de comandă (analogice în cele mai multe cazuri) adaptate la elementele de execuţie. Aceste diferite funcţii sunt grupate în aşa-numitele unităţi de interfaţă de proces.

Unitatea de interfaţă trebuie să fie modulară pentru a permite adaptarea uşoară a sistemului de conducere la caracteristicile particulare ale procesului condus. Modularitatea este asigurată prin plăci sau module conectate la o magistrală comună şi concepute astfel încât utilizatorul poate echipa unitatea de interfaţă cu ansamblul de plăci şi module specializate care corespund perfect aplicaţiei respective.

În domeniul automaticii, interfeţele de proces se mai numesc generic plăci de achiziţie, nume datorat faptului că prin intermediul interfeţei de proces se realizează şi achiziţia de date. Trebuie precizat faptul că interfaţa de proces are nu numai funcţia de achiziţie ci şi funcţia de prelucrare şi transmitere către exterior a semnalelor generate de calculator. Plăcile de achiziţie fac parte din categoria generală a plăcilor de extensie (denumite şi plăci utilizator).

Prin completarea configuraţiei unui calculator (de regulă un calculator personal – PC) cu elemente din categoria interfeţelor de proces (plăci de achiziţie) şi cu software specializat

2

se obţine un sistem de achiziţie a datelor (trebuie precizat că noţiunea de sistem de achiziţie este ceva mai generală, fiind incluse aici şi alte sisteme numerice de achiziţie care nu se bazează pe PC). Datorită existenţei funcţiilor de conducere, o denumire mai apropiată de realitate este cea de sistem de achiziţie şi conducere. Sistemele de achiziţie vor fi abordate pe larg într-un capitol viitor.

1.2. STRUCTURI ALE INTERFEŢELOR DE PROCES. SUBSISTEME COMPONENTE O interfaţă de proces este alcătuită din trei componente de bază: conectorul, care

asigură legătura mecanică/electrică între cablajul calculatorului şi cablajul exterior, dispozitivul de cuplare care joacă rolul de interfaţă electrică cu senzorii şi elementele de execuţie şi adaptorul de interfaţă care asigură conectarea la magistrala calculatorului.

Unitatea de interfaţă de proces poate fi plasată în interiorul calculatorului (Fig. 1.1), rezultând o structură integrată care are avantajul simplităţii, dar are şi dezavantaje. Prezenţa în interiorul calculatorului a unor curenţi de nivel mare poate genera perturbaţii şi poate duce la apariţia defectelor. Pe de altă parte, legăturile cu senzorii care furnizează semnale de nivel mic pot fi lungi (calculatorul poate fi plasat departe de procesul condus) şi atunci trebuie să se adopte sisteme de transmisie analogice care pot fi scumpe.

Fig. 1.1. Calculator cu unitate integrată de interfaţă de proces O variantă de plasare a unităţii de interfaţă constă în dispunerea conectorului în

exteriorul calculatorului. Uneori se plasează în exteriorul calculatorului atât conectorul cât şi dispozitivul de cuplare la proces. Această arhitectură prezintă inconvenientul unor legături lungi între adaptorul de interfaţă şi dispozitivul de cuplare, ceea ce poate duce la limitarea performanţelor interfeţei de proces (Fig. 1.2).

Una dintre soluţiile adoptate, mai ales în cazul sistemelor industriale complexe, mari, constă în dispunerea interfeţelor de proces în aşa-numite unităţi satelit, care sunt conectate la calculator prin intermediul unor sisteme de comunicaţie numerică (a se vedea Fig. 1.3). Unităţile satelit sunt amplasate în apropierea senzorilor şi elementelor de execuţie şi prin urmare sunt limitate problemele de comunicaţie cu acestea. Cu toate acestea, unităţile de interfaţă vor trebui să aibă o construcţie robustă pentru a rezista şi funcţiona corespunzător în mediul industrial.

Procesor Memorie Adaptor de periferic

Adaptor de periferic

Magistrala calculatorului

Adaptor de interfaţă

Dispozitiv de cuplare

Conector CALCULATOR

PROCES CONDUS

3

Fig. 1.2. Calculator de proces cu „borne active”

Fig. 1.3. Calculator de proces cu unitate satelit de interfaţă de proces

Procesor Memorie Adaptor de periferic

Adaptor de periferic

Magistrala calculatorului

Adaptor de interfaţă CALCULATOR

Dispozitiv de cuplare

Conector

PROCES CONDUS

Procesor Memorie Adaptor de periferic

Adaptor de periferic

Magistrala calculatorului

Controlor comunicaţii CALCULATOR

Dispozitiv de cuplareConector

PROCES CONDUS

Controlor comunicaţii Unitate satelit de interfaţă

4

După cum s-a precizat, o unitate de interfaţă este alcătuită din plăci şi module detaşabile care pot realiza diferite tipuri de cuplare la proces. În principiu, fiecare dintre aceste plăci sau module asigură funcţii care permit adaptarea sistemului de calcul la proces. Prin alegerea corespunzătoare a acestor module se realizează aplicaţia concretă de achiziţie şi conducere. Aceste module flexibile asigură funcţionalitatea interfeţei prin implementarea următoarelor subsisteme:

- intrări analogice - ieşiri analogice - intrări/ieşiri numerice - numărare, temporizare (generator de intervale de timp) Indiferent de arhitectura interfeţei de proces, structura generală este cea din Fig. 1.4,

care pune în evidenţă realizarea funcţiilor principale ale interfeţei de proces prin subsistemele componente.

Fig. 1.4. Structura generală a unei interfeţe de proces

Sistemul de interfaţă ieşiri analogice Sistemul de ieşiri analogice este o componentă a interfeţelor de proces destinată transmiterii spre proces a comenzilor în formă analogică, elaborate în urma rulării unor programe care implementează algoritmii de conducere. Sistemul de ieşiri analogice conţine în mod necesar convertoare numeric-analogice (CNA sau DAC – Digital to Analog Converter). Structura generală a sistemului ieşirilor analogice este prezentată în Fig. 1.5.

Fig. 1.5. Structura sistemului ieşirilor analogice

Intrări (sub formă numerică) Ieşiri (sub formă numerică) Calculator

Interfaţă Sistemul intrărilor analogice

Sistemul intrărilor numerice

Sistemul ieşirilor

analogice

Sistemul ieşirilor

numerice

Intrări de la proces (informaţii)

Ieşiri spre proces (comenzi)

Proces condus

CNA1 CNA2 CNAn

U/I

T T

U/I

T

U/I

Magistrală

5

Tampoanele T (buffere) păstrează valoarea numerică a comenzii. În unele cazuri ieşirea CNA (semnal de tip tensiune) este convertită în semnal de curent prin convertoare tensiune/curent U/I. Sistemul de interfaţă ieşiri numerice Acest sistem este o componentă a interfeţei de proces care este destinată transmiterii spre proces a comenzilor numerice. Comenzile sunt de obicei în formă binară (de regulă cu un singur rang), de tip tren de impulsuri, frecvenţă de impulsuri, durată de impuls. Sistemul ieşirilor numerice conţine şi amplificatoare de putere şi circuite de separare galvanică. Sistemul de interfaţă intrări analogice Este o componentă a interfeţei de proces destinată interfaţării sistemului de conducere cu semnalele analogice din proces. Acestea se prezintă de regulă sub formă de semnale de curent continuu: intensitate (0-20 mA, 2-10 mA, 4-20 mA etc.) sau tensiune (de nivel mic: 10-20 mV, -10 – +10 mV, de nivel mediu: 0 – 10 V, 2 – 10 V, 0 – 20 V, de nivel mare 0–100 V).

Structura generală a sistemului intrărilor analogice este prezentată în Fig. 1.6. Componentele sistemului sunt:

• elementul de conectare (EC) care are rolul de a conecta la sistem conductoarele care transportă semnalul analogic de la proces;

• elementele de tratare primară a informaţiei (ETP) destinate unor prelucrări care nu necesită amplificare (conversii curent/tensiune, filtrare);

• multiplexorul (MUX) care permite selectarea unuia din cele n canale analogice; • amplificatorul (A) care adaptează nivelul semnalului de intrare selectat de

multiplexor şi impedanţa canalului la elementul următor; • elementul de eşantionare şi reţinere (EER) (sau circuit Sample/Hold) care are rolul

de a păstra constantă valoarea eşantionului de tensiune pe durata conversiei analog-numerice;

• convertorul analogic-numeric (CAN sau ADC – Analog to Digital Converter) care converteşte în formă numerică valoarea analogică a informaţiei pe canalul selectat;

• bufferul T care este necesar conectării ieşirii CAN la magistrala sistemului de conducere;

• blocul de comandă BC care asigură coordonarea operaţiilor care se desfăşoară în sistem.

Fig. 1.6. Structura sistemului intrărilor analogice

EC ETP MUX

A EER CAN T

BC

Mag

istra

lă

Canal analogic 1

Canal analogic 2

Canal analogic n

6

Sistemul de interfaţă intrări numerice Sistemul intrărilor numerice este un subsistem al interfeţelor de proces care are rolul de a colecta din proces informaţiile de formă numerică (semnale binare cu unul sau mai multe ranguri, tren de impulsuri) sau cvasinumerică (durată de impuls, frecvenţa impulsurilor). Structura generală a unui sistem de intrări numerice este ilustrată de Fig. 1.7. Principalele elemente componente ale sistemului sunt:

• elementul de conectare (EC); • elementele de tratare primară a informaţiei (ETP) - izolare galvanică, filtrări şi

protecţii • multiplexorul (MUX) cu ajutorul căruia se selectează un semnal sau un grup de

semnale • bufferul de conectare la magistrală (T); • blocul de comandă BC care asigură secvenţializarea corectă a operaţiilor din

sistemul de intrări numerice

Fig. 1.7. Structura sistemului intrărilor numerice

CAP. 2. FUNCŢIILE INTERFEŢELOR DE PROCES. CONDIŢIONAREA SEMNALELOR

Interfeţele de proces (plăcile de achiziţie) asigură o serie de funcţii care fac posibilă

realizarea scopului pentru care a fost proiectată placa respectivă (achiziţie sau achiziţie şi conducere). Interfeţele de proces asigură funcţii de conversie, de protecţie şi de adaptare, dintre care cele mai importante sunt următoarele:

- adaptarea mecanică la standardele industriale de cablare şi conectare; - adaptarea electrică realizată conform normelor industriale: amplificarea semnalelor

de nivel mic, conversii curent/tensiune, generarea semnalelor de putere etc.; - conversii analog-numerice şi numeric-analogice; - tratarea primară a semnalului: filtrare, liniarizare; - securizare şi protecţie: izolare galvanică, protecţia la supratensiuni şi scurtcircuite

etc.; - supervizare şi control, semnalizare, dispozitive de rezervare (backup) în caz de

defect; - interfaţarea propriu-zisă cu calculatorul: multiplexare, dispozitive de comunicaţii

etc.; - funcţii auxiliare: alimentarea senzorilor şi elementelor de execuţie (atunci când

aplicaţia o impune). Câteva dintre aceste funcţii vor abordate pe scurt în continuare, conversiile numeric-

analogice şi analog-numerice fiind prezentate într-un capitol distinct.

EC ETP MUXT

BC Mag

istra

lă

7

Prin condiţionarea semnalelor se înţelege în sens larg adaptarea dintre traductoare şi circuitele de conversie analog-numerică. Tipul de condiţionare depinde evident de senzorii care sunt utilizaţi. De exemplu, un semnal poate avea nivel mic şi necesită o amplificare, sau poate conţine componente parazite care cer realizarea unei filtrări. Anumite operaţii de condiţionare de semnal se realizează între circuitele de conversie numeric-analogică şi elementele de execuţie, precum şi pe partea de intrări/ieşiri numerice. Condiţionarea semnalelor se realizează prin operaţii cum ar fi:

conversii de semnal (cum ar fi conversia curent/tensiune) izolare galvanică amplificare filtrare liniarizare multiplexare alimentarea senzorilor pasivi

2.1. CONVERSII DE SEMNAL Semnalele provenite de la proces sau cele care se transmit spre proces nu au de obicei

forme compatibile cu cele ale sistemului de calcul, ceea ce determină necesitatea conversiilor de semnal. Printre operaţiile de acest tip se pot enumera:

- conversii analog/numerice şi numeric/analogice (care vor fi abordate separat); - conversii curent/tensiune; - conversii rezistenţă/tensiune ; - conversii frecvenţă/tensiune ; - conversii tensiune alternativă/tensiune continuă În cazul în care traductorul furnizează la ieşire semnal unificat de curent continuu (2-

10 mA, 4-20 mA), trebuie realizată o conversie în tensiune, care de altfel se face foarte simplu, cu ajutorul unei rezistenţe. Valoarea rezistenţei se determină în funcţie de curentul de ieşire al traductorului şi de domeniul de tensiune dorit. De exemplu, pentru curent în gama

204 ÷=I mA şi tensiune VU 102 ÷= rezultă rezistenţa Ω= 500R (a se vedea Fig. 2.1). Pentru rezistenţa R este suficientă o toleranţă de %1.0± , importantă fiind stabilitatea valorii rezistenţei. Abaterea faţă de valoarea nominală se poate corecta prin program după efectuarea unei calibrări iniţiale.

Fig. 2.1. Convertor curent – tensiune simplu Dacă traductorul furnizează un curent de valoare mică este necesară folosirea unui

convertor curent/tensiune cu amplificator operaţional.

În cazul senzorilor a căror ieşire este de tip rezistenţă (cum ar fi termorezistenţele, mărci tensorezistive etc.) este necesară conversia variaţiilor rezistenţei în variaţii de tensiune (Fig. 2.2). Această conversie se poate realiza cu un simplu montaj potenţiometric (Fig. 2.3). Dacă R este rezistenţa senzorului, tensiunea de ieşire este

1RRRUU e +

= (2.1)

R 500Ω

U 2 – 10 V

I 4 – 20 mA

8

unde U este tensiunea de alimentare şi R1 este rezistenţa conectată în serie cu rezistenţa senzorului.

Fig. 2.2. Conversia rezistenţă/tensiune

Fig. 2.3. Conversia rezistenţă/tensiune cu un montaj potenţiometric

Montajul potenţiometric introduce o neliniaritate asupra parametrului măsurat, chiar dacă senzorul în sine este liniar – se poate observa uşor neliniaritatea relaţiei intrare (rezistenţă) – ieşire (tensiunea Ue) (2.1). De aceea se foloseşte de multe ori metoda clasică a dispunerii senzorului în montaje cu punţi Wheatstone. Un astfel de montaj este prezentat în Fig. 2.4.

Fig. 2.4. Conversia rezistenţă/tensiune cu punte Wheatstone Senzorul este dispus în puntea Wheatstone, şi dacă impedanţa de intrare a

amplificatorului de măsurare este infinită (practic foarte mare), atunci tensiunea de ieşire din punte este dată de relaţia:

Senzor rezistiv Convertor rezistenţă/ tensiune

CAN

PROCES CALCULATOR

Semnal numeric

R1

R

U

Ue

R3

R2

R1

R

U

Ue

9

URR

RRR

RU e

+

−+

=32

3

1

1 (2.2)

În general, rezistenţa senzorului variază liniar în jurul unui rezistenţe de echilibru R0 în funcţie de parametrul măsurat: )1(0 aRR += (2.3) unde a este mult mai mic decât 1, iar semnalul măsurat este 0aR . Puntea Wheatstone este reglată astfel încât tensiunea de ieşire să fie nulă atunci când rezistenţa senzorului este egală cu rezistenţa de echilibru, condiţie de anulare care se realizează pentru 3210 RRRR === . În acest caz, din (2.2), (2.3) obţinem

−−≈⋅

+−= UaUaU

aaU e 8424

2

(2.4)

Se observă că prin utilizarea montajului în punte se elimină tensiunea continuă suprapusă peste semnalul măsurat care era prezentă în cazul montajului potenţiometric, existând în continuare o uşoară neliniaritate (care poate fi neglijabilă ţinând cont de faptul că a este foarte mic). În sistemele industriale, senzorii sau elementele de execuţie pot fi amplasate la distanţe relativ mari faţă de calculatoarele de proces. Prin urmare este necesară o linie de transmisie analogică capabilă să transmită semnalul analogic util fără ca acesta să fie alterat. Pentru astfel de cazuri se evită folosirea semnalului de tensiune, care depinde puternic de rezistenţa liniei de transmisie, şi se preferă utilizarea surselor de curent, semnalul util fiind intensitatea curentului. Deoarece CAN-urile utilizează semnal de tensiune, pot fi necesare două conversii: o conversie tensiune/curent dacă semnalul care provine de la senzor este de tip tensiune şi o conversie curent/tensiune la intrarea CAN (Fig. 2.5).

Fig. 2.5 2.2. IZOLARE GALVANICĂ ŞI PROTECŢII

Interfeţele de proces asigură joncţiunea dintre sistemul de calcul şi procesul condus, şi

prin urmare trebuie luate măsuri de siguranţă astfel încât defectarea unei componente a procesului condus (inclusiv traductoare, elemente de execuţie) să nu provoace defectarea sistemului de calcul sau viceversa, căderea sistemului de calcul să nu determine rezultate catastrofale pentru proces.

Printre tehnicile de protecţie se pot enumera: - izolarea galvanică între circuitele calculatorului şi cele ale procesului; - protecţii la supracurenţi şi supratensiuni (circuite cu diode Zener, fuzibile etc.); - implementarea unor unităţi de rezervă de interfaţă în cazul unor aplicaţii critice; - detecţia şi anticiparea defectelor: diagnoză, teste etc.; - eliminarea semnalelor eronate, iar în cazul unor anomalii comutarea pe comenzi la

un alt nivel de siguranţă, cum ar fi de exemplu conducerea manuală clasică.

Senzor Convertor tensiune/

curent CAN

PROCES CALCULATOR Semnal numericConvertor

curent/ tensiune

Linie analogică

10

Izolarea galvanică constă în eliminarea oricărei conexiuni electrice directe între circuitele calculatorului şi cele corespunzătoare procesului. Izolarea galvanică se realizează de regulă cu transformatoare sau optocuploare şi oferă în primul rând posibilitatea de separare completă a alimentărilor celor două sisteme pentru protejarea circuitelor de nivel mic împotriva supracurenţilor sau supratensiunilor datorate unei eventuale defectări a unei componente. Prin aceasta se asigură o protecţie suplimentară pentru operatori şi pentru evitarea unei defectări în lanţ în sistem.

În cazul în care de exemplu atât sistemul de calcul cât şi traductorul care furnizează semnalul de la proces sunt legate la pământ, vor apare probleme dacă există diferenţă de potenţial între cele două împământări, ceea ce conduce la măsurări eronate. Separarea galvanică permite rezolvarea problemelor de împământare şi legare la nul precum şi problemele de alimentare a circuitelor de putere şi a celor de nivel mic.

Trebuie luate precauţii suplimentare de protecţie atunci când echipamentele se găsesc în zone cu pericol de explozie, în anumite cazuri fiind recomandată utilizarea aparaturii pneumatice. Dacă totuşi se utilizează circuite electrice, acestea trebuie etanşate în cutii speciale antistatice.

2.3. AMPLIFICAREA SEMNALELOR Există numeroşi senzori care furnizează semnale de nivel mic care trebuie amplificate

pentru a putea fi prelucrate şi convertite în semnale numerice (un exemplu tipic este cel al termocuplurilor). Intervalul de variaţie a tensiunii de intrare pentru CAN-uri este în general de 0 – 10 V. Dacă semnalul de la ieşirea traductorului nu depăşeşte 1 V performanţele de achiziţie se înrăutăţesc (rezoluţia, precizia, influenţa zgomotelor). Prin urmare apare clar necesitatea amplificării.

Prima problemă care se pune pentru amplificarea semnalelor mici este protecţia contra zgomotului. Într-adevăr, dispozitivul constituit din senzor şi firele sale de legătură cu amplificatorul poate să culeagă semnale parazite a căror amplitudine poate fi superioară celei a procesului de măsurat. Acest zgomot provine din cuplajele parazite cu masa sau cu alimentarea, dar poate fi în egală măsură indus direct prin firele de legătură. Pentru reducerea raportului zgomot/semnal se utilizează legături cu impedanţa mică constituite din cabluri coaxiale sau din perechi torsadate ecranate.

Montajul de amplificare cel mai simplu constă în utilizarea unui circuit asimetric precum cel din Fig. 2.6, unde una dintre intrări este legată la masă. Această tehnică dă în general rezultate satisfăcătoare atunci când senzorul are o impedanţă mică şi când furnizează tensiuni de ordinul volţilor.

În caz contrar, este necesar să îmbunătăţim rejecţia zgomotului apelând la un montaj simetric precum cel din Fig. 2.7. Dacă circuitul este corect echilibrat, sursele de zgomot afectează într-un mod aproape identic cele două fire de legătură între senzor şi amplificator, astfel încât semnalul util Ud nu este practic afectat de zgomot nici atunci când este măsurat cu un amplificator diferenţial. Cu un astfel de montaj, tensiunea Ud furnizată de senzor este dată de diferenţa tensiunilor Ua şi Ub de la cele două borne ale amplificatorului.

Fig. 2.6. Conectarea unui senzor la un amplificator în montaj asimetric

11

Fig. 2.7. Conectarea unui senzor la un amplificator în montaj simetric

Zgomotele parazite care afectează în mod egal cele două fire de legătură între senzor

şi amplificator produc o tensiune de mod comun Umc care poate fi determinată din relaţiile:

2/)(2/2/

bamcdmcb

dmca UUUUUUUUU

+=⇒

−=+=

(2.5)

În practică, echilibrarea circuitului nu este niciodată perfectă şi o tensiune de mod comun produce totdeauna o tensiune reziduală parazită care este cu atât mai mică cu cât dispozitivul este mai bine echilibrat. Din acest motiv caracterizarea calităţii unui montaj se face prin factorul (raportul) rejecţiei de mod comun CMRR (Common Mode Rejection Ratio) care este în general exprimat în decibeli:

=

rez

mc

UU

CMRR 10log20 (2.6)

unde Urez este tensiunea diferenţială reziduală. Se observă astfel că pentru a măsura cu o eroare mai mică de 1% ieşirea unui termocuplu care furnizează o tensiune de 10 mV, montajul trebuie să aibă un raport de rejecţie CMRR mai mic sau egal cu 100 dB dacă tensiunea de mod comun este de 10 V.

Amplificatoarele utilizate la interfaţa cu senzorii trebuie să aibă o amplificare definită cu precizie şi de regulă aceste amplificatoare sunt realizate pe baza amplificatoarelor operaţionale (AO), care au amplificarea foarte mare (care poate fi definită precis ca raport a două rezistenţe) şi impedanţă de intrare foarte mare (teoretic infinită). Se folosesc diverse structuri de AO (în montaj inversor, neinversor, diferenţial etc.). Pentru aplicaţiile de precizie din domeniul achiziţiilor de date se utilizează amplificatoare de instrumentaţie. Amplificatoare operaţionale Amplificatoarele operaţionale sunt în general amplificatoare destinate amplificării semnalelor de c.c. şi până la frecvenţe de ordinul kHz-lor, cu factor de amplificare mare, impedanţă de intrare mare şi impedanţă de ieşire mică. Schema bloc generală a unui AO este prezentată în Fig. 2.8. În Fig. 2.8 s-au folosit următoarele notaţii: −+

CCCC VV , : tensiuni de alimentare raportate la punctul de masă sau punctul de nul; dA : factor de amplificare în circuit deschis;

12 uuud −= : tensiunea diferenţială de intrare; iZ : impedanţa de intrare; eZ : impedanţa de ieşire; eu : tensiunea de ieşire. Ieşirea (tensiunea de ieşire) poate fi exprimată prin următoarea relaţie în domeniul complex (Laplace): )()()()()( sUsUAsUAsUsY Dmcmcd

de ++== (2.7)

12

unde mcA este amplificarea pe mod comun, 2

21 uuumc

+= este tensiunea pe mod comun, iar

Du este tensiunea de decalaj sau de derivă care apare la ieşirea AO chiar dacă la intrare nu se aplică nici-un semnal. Pentru anularea tensiunii de derivă se aplică la intrarea AO o tensiune de semn contrar numită tensiune de offset sau tensiune de decalaj la intrare (Fig. 2.9).

Fig. 2.8. Schema generală a unui AO

Fig. 2.9

La un AO ideal avem: 0,,0, →∞→→∞→ eimc

d ZZAA . Pentru realizarea unor amplificatoare practice se utilizează structuri de AO cu circuite de corecţie şi de reacţie realizate cu elemente pasive: rezistenţe sau capacităţi.

Cele mai utilizate structuri cu AO sunt următoarele: structură cu AO cu reacţie paralelă de tensiune în montaj inversor; structură cu AO cu reacţie paralelă de tensiune în montaj neinversor; structură cu AO în montaj diferenţial; structură cu AO cu reacţie în punte; structură cu AO cu reacţie serie de tensiune. În continuare vor fi prezentate câteva din aceste structuri:

1). Structură cu AO cu reacţie paralelă de tensiune în montaj inversor Schema de principiu este următoarea:

Fig. 2.10. AO cu reacţie paralelă de tensiune, montaj inversor

13

Funcţia de transfer realizată cu acest montaj este:

)()(

)(1 sU

sUsH e= (2.8)

În funcţie de Z2, Z1, Zi şi A = A

d se poate calcula funcţia de transfer utilizând teoremele

lui Kirchhoff: 021 III += (2.9) 1011 UZIZI i =+ (2.10) ei UZIZI =− 220 (2.11) În plus din relaţia (2.7) avem: 00 )( IAZZIAUAU iide −=−⋅=⋅= (2.12) Din ecuaţiile (2.9)÷ (2.12) obţinem:

02

20220 )1( IAZZ

IIAZZIZI iii +=⇒−=−

0112

01021 )1()( IZZZAZZ

ZIZIIU ii

i

+++=++=⇒

i

i

iie

ii ZZA

ZZ

Z

UAZIAZU

ZZAZZ

Z

UI

+++

−=−=

+++=⇒

12

1

10

12

1

10

)1(;

)1(

Obţinem:

)()(

)()(11

1)()(

)1()()(

)(

1

221

2

12

11

sAZsZ

sAZsZ

AsZsZ

ZZAZZ

Z

AZsUsU

sH

ii

i

ie

+++⋅−=

+++−==

A

sZsZ

sZsZsZ

sZsH

i

/)()(

)()(

11

1)()(

)(

1

221

2

+++

⋅−= (2.13)

Se observă din relaţia (2.13) că dacă:

AsZsZ

sZsZ

i

<<++)()(

)()(

11

22 (2.14)

atunci:

)()(

)(1

2

sZsZ

sH ideal −= (2.15)

Observaţii:

Impedanţa de intrare a AO cu reacţie este: )()( 1 sZsZir ≈ ;

Impedanţa de ieşire a AO cu reacţie este:

)()()(1

)()(

21

1

sZsZsAZ

sZsZ eer

++

= .

14

Un caz particular al acestei structuri este elementul inversor:

Fig. 2.11. Elementul inversor

)()(1)()()( 121 tutuRRsHRsZsZ e −=⇒−=−=⇒==

2). Structură cu AO cu reacţie paralelă de tensiune în montaj neinversor

Schema de principiu în acest caz este cea din Fig. 2.12.

Fig. 2.12. AO cu reacţie paralelă de tensiune, montaj neinversor

Funcţia de transfer ideală obţinută în urma aplicării teoremelor Kirchhoff este:

)()(

1)()(

)(1

2

2 sZsZ

sUsU

sH eideal +== (2.16)

Observaţii: Impedanţa de intrare a AO cu reacţie este foarte mare:

)()()(

)()(21

1

sZsZsZ

AsZsZ iir +⋅⋅= ;

Impedanţa de ieşire a AO cu reacţie este:

)()()(1

)()(

21

1

sZsZsAZ

sZsZ eer

++

= .

Un caz particular al acestei structuri este elementul repetor:

Fig. 2.13. Elementul repetor

)()(;1)(

01)( 21

tutusZ

sH e ==+=

15

3). Structură cu AO în montaj diferenţial Această structură apare ca un sistem multivariabil cu două intrări şi o ieşire. Schema de principiu este prezentată în Fig. 2.14. Relaţia intrare-ieşire este următoarea:

))()(()()(

)( 121

2 sUsUsZsZ

sU e −⋅= (2.17)

Fig. 2.14. AO în montaj diferenţial

4). Structură de AO cu reacţie în punte (în T)

Schema de principiu a acestei structuri este următoarea:

Fig. 2.15. AO cu reacţie în punte

Funcţia de transfer ideală este:

)()(

)()()()()()()()(

)(01 sZsZ

sZsZsZsZsZsZsUsU

sHe

cbcabaeideal

++−== (2.18)

5). Structură de AO cu reacţie negativă serie de tensiune

Schema este prezentată în Fig. 2.16.

Fig. 2.16. AO cu reacţie negativă serie de tensiune

)(

1/1)(

1)()(

)(1 sHAsHsU

sUsH

rr

e ≈+

== (2.19)

16

Amplificatoare de instrumentaţie Amplificatoarele de instrumentaţie (AI) sunt amplificatoare diferenţiale construite pe

baza mai multor AO cu reacţie. Un AI ideal furnizează o tensiune de ieşire care depinde numai de diferenţa dintre cele două tensiuni de intrare:

)( 12 uuKue −⋅= (2.20)

unde amplificarea K este determinată cu mare precizie şi poate varia într-un domeniu larg.

Un AI practic trebuie să aibă o amplificare care poate fi setată prin intermediul unui singur rezistor extern şi trebuie să combine impedanţa mare de intrare cu un CMRR mare, tensiune de offset de intrare mică etc. Un amplificator care utilizează un singur AO în montaj diferenţial este inadecvat pentru un AI, deoarece pentru obţinerea unei amplificări mari Z1 ar trebui să fie de valoare mică, ceea ce ar determina o impedanţă de intrare mică şi CMRR mic. O structură de AI tipică este prezentată în Fig. 2.17, structură în care sunt utilizate trei AO, două neinversoare şi unul în montaj diferenţial.

Fig. 2.17. Structură tipică de amplificator de instrumentaţie Foarte utile în aplicaţiile de achiziţie de date şi de măsurare sunt şi aşa-numitele

amplificatoare cu câştig (amplificare) programabil (Programmable Gain Amplifier - PGA), care permit modificarea amplificării prin intermediul unor semnale de comandă binare.

O altă clasă de amplificatoare utilizată în aplicaţiile de măsurare este reprezentată de amplificatoarele cu intrarea izolată, care asigură pe lângă amplificarea semnalului şi separarea galvanică intrare-ieşire, separare necesară pentru protecţia utilizatorului şi a echipamentelor care se cuplează la proces, evitarea unor cuplaje accidentale între diverse surse de semnal urmărite simultan etc. Structura unui amplificator cu intrarea izolată cuprinde un bloc de intrare, un bloc de izolare transformatorică, optică sau de tip condensator (principiul utilizat pentru transferul prin bariera de izolare este modularea în amplitudine, în factor de umplere sau în frecvenţă), un bloc de ieşire şi o sursă de alimentare.

Observaţie. În situaţia în care semnalul de ieşire din traductor se modifică în limite

mai largi decât domeniul admis de CAN apare necesitatea unei atenuări. Cele mai simple atenuări se realizează cu ajutorul divizoarelor rezistive. Valorile rezistenţelor (care trebuie să fie stabile) nu trebuie să fie nici prea mici, pentru a nu încărca sursa (traductorul), nici prea mari, pentru ca raportul de divizare să nu fie influenţat de către curentul de intrare al circuitului de la ieşirea divizorului.

R0

R1

R1

R2

R2

R2

R2u2

u1

ue +

+

+_

_

_

AO1

AO2

AO3

17

2.4. OPERAŢIA DE LINIARIZARE Operaţia de liniarizare sau de compensare a neliniarităţilor presupune introducerea în

lanţul de măsurare a unor elemente care asigură că mărimea de la intrarea sistemului de calcul are o dependenţă liniară în funcţie de parametrul măsurat.

Liniarizarea este prezentată principial în Fig. 2.18 prin intermediul caracteristicii statice a unui traductor. Mărimea de ieşire din traductor, în funcţie de mărimea de intrare (parametrul măsurat), are forma generală:

LL +++++== n

ne XaXaXaaXfY 2210)( (2.21)

care reprezintă o relaţie de regim staţionar neliniară. Liniarizarea necesită determinarea unei funcţii inverse care furnizează mărimea măsurată X în funcţie de mărimea de ieşire Ye. LL +++++== n

eneee YbYbYbbYgX 2210)( (2.22)

Circuitul de liniarizare furnizează o ieşire Y proporţională cu parametrul măsurat dacă

LL +++++== nenee YcYcYcckXY 2

210 , cu ii kbc = (2.23)

Fig. 2.18. Principiul compensării neliniarităţilor Circuitele de compensare pot fi realizate cu componente analogice (cum ar fi

liniarizarea în cazul conversiei rezistenţă/tensiune cu punte Wheatstone; circuite cu AO) sau pot fi realizate cu ajutorul tehnicii numerice (elementele de liniarizare sunt implementate pe un microprocesor), în acest caz compensarea efectuându-se după ce semnalul analogic este convertit sub formă numerică.

În principiu, un exemplu de circuit de compensare a neliniarităţilor cu AO este prezentat în Fig. 2.19.

Fig. 2.19. Circuit de liniarizare analogic

Y, Ye

X

Y

Ye

Compensare

I = f(Y)R

Y +

_

Ye

E.N.

18

Componentei EN (element neliniar) utilizate pe reacţie i se impune o caracteristică neliniară definită prin:

LL +++++== n

nYaYaYaaYfI 2210)( (2.24)

unde I este curentul, iar Y este mărimea (tensiunea) de ieşire furnizată de circuitul de liniarizare. Mărimea Ye de la intrarea circuitului de liniarizare este tensiunea furnizată de către traductor (care este o funcţie neliniară de X – mărimea de intrare în traductor – dată de relaţia (2.21)).

Deoarece acelaşi curent I trece prin rezistenţa R şi prin elementul neliniar se obţine relaţia:

0)( =+ YfRYe (2.25)

care prin inversare conduce la:

=RY

gY e (2.26)

care este relaţia de corecţie dorită pentru compensarea neliniarităţii traductorului. Tehnicile de liniarizare analogice sunt scumpe şi sunt înlocuite din ce în ce mai mult de tehnicile numerice sau de software-ul de achiziţie.

Pachete software specializate pentru achiziţia datelor, cum ar fi LabVIEW, NI-DAQ (National Instruments), MATLAB/DAQ (MathWorks) dispun de biblioteci şi funcţii de liniarizare şi conversie a semnalelor provenite de la diverse traductoare standardizate – termocupluri, termorezistenţe, mărci tensorezistive etc. 2.5. FILTRAREA SEMNALELOR

2.5.1. Tipuri de filtre Filtrarea reprezintă prelucrarea unui semnal (în domeniul timp) având ca rezultat

schimbarea spectrului de frecvenţă original al semnalului. Schimbarea constă în reducerea (filtrarea) unor componente nedorite ale semnalului.

Filtrele se pot împărţi în două mari categorii: filtre analogice şi filtre numerice. Filtrele analogice lucrează cu semnale continue, pe când cele numerice lucrează cu secvenţe discrete. Teoria modernă a eşantionării şi a prelucrării numerice a semnalelor a făcut posibilă înlocuirea filtrelor analogice cu cele numerice în numeroase aplicaţii, printre avantajele filtrelor numerice numărându-se :

• filtrele numerice sunt programabile software şi prin urmare sunt uşor de construit şi de testat;

• performanţele filtrelor numerice nu variază în funcţie de temperatură sau umiditate;

• filtrele numerice au un raport cost/performanţă mai bun decât filtrele analogice; • filtrele numerice sunt stabile şi nu necesită componente de mare precizie; • filtrele numerice necesită doar operaţii aritmetice simple de înmulţire şi adunare

/scădere şi prin urmare sunt uşor de implementat. Din punct de vedere al realizării fizice, un filtru numeric poate fi un program într-un

calculator, un microprocesor programabil sau un circuit integrat dedicat. Filtrele numerice liniare clasice sunt de două tipuri: filtre cu răspuns finit la impuls (Finite Impulse Response Filters – FIR) şi filtre cu răspuns infinit la impuls (Infinite Impulse Response Filters – IIR).

19

Indiferent de tipul lor (analogice sau numerice), filtrele reduc sau elimină componentele de frecvenţă nedorită din semnalul prelucrat. În funcţie de domeniul de frecvenţă în care semnalele sunt lăsate să treacă sau sunt atenuate (rejectate), filtrele por fi clasificate în patru categorii:

filtre trece jos (FTJ) – lasă să treacă semnalele de frecvenţă joasă şi atenuează componentele de frecvenţă înaltă;

filtre trece sus (FTS) – lasă să treacă semnalele de frecvenţă înaltă dar atenuează semnalele de frecvenţă joasă;

filtre trece bandă (FTB) – lasă să treacă semnalele care au frecvenţa într-o anumită bandă de frecvenţă;

filtre opreşte bandă (FOB) – atenuează semnalele care au frecvenţa într-o anumită bandă de frecvenţă. Răspunsul în frecvenţă ideal (caracteristica amplitudine-frecvenţă ideală) pentru aceste

categorii de filtre este prezentat în Fig. 2.20.

Fig. 2.20. Răspunsul în frecvenţă al filtrelor ideale FTJ permite trecerea semnalelor care au frecvenţa mai mică decât frecvenţa de tăiere ft, iar FTS lasă să treacă semnalele cu frecvenţă mai mare decât frecvenţa de tăiere. FTB lasă să treacă semnalele cu frecvenţa între cele două frecvenţe de tăiere – inferioară ft1, respectiv superioară ft2. FOB atenuează semnalele care au frecvenţa între cele două frecvenţe de tăiere. Domeniul de frecvenţă în care filtrul permite trecerea semnalelor se numeşte bandă de trecere (BT), iar domeniul de frecvenţă în care filtrul nu lasă să treacă semnalele se numeşte bandă de oprire (BO) sau bandă de blocare. Frecvenţele de tăiere şi benzile de trecere şi de oprire, alături de alţi parametri, fac parte din specificaţiile de proiectare ale filtrelor.

Filtrele ideale sunt caracterizate de amplitudine unitară (0 dB) în banda de trecere şi de amplitudine zero ( ∞− dB) în banda de oprire. În cazul implementărilor practice, reale, aceste performanţe ale filtrului nu sunt complet realizate. La filtrele ne-ideale, între banda de trecere şi banda de oprire există o zonă nenulă numită bandă de tranziţie (TR), în care amplitudinea se modifică gradual de la amplitudinea unitară (0 dB) la amplitudine nulă ( ∞− dB).

Răspunsul în frecvenţă în cazul filtrelor ne-ideale este prezentat în Fig. 2.21, unde sunt precizate benzile de trecere, de oprire şi de tranziţie pentru cele patru mari categorii de filtre. Banda de trecere se defineşte în cazul filtrelor reale ca fiind intervalul de frecvenţă în care amplitudinea variază de la 0 dB la – 3 dB. Pentru anumite tipuri de filtre, amplitudinea în banda de trecere poate prezenta mici oscilaţii cunoscute sub numele de ripple (riplu). Amplitudinea acestor oscilaţii se numeşte ripple al benzii de trecere sau simplu ripple şi este de fapt diferenţa între amplitudinea reală a filtrului în zona de trecere şi amplitudinea unitară ideală. Deoarece în practică atenuarea în zona de oprire nu poate fi infinit de mică, în cadrul proiectării trebuie specificată o limită care trebuie respectată. Prin urmare, în cazul filtrelor reale apar ca specificaţii de proiectare suplimentare banda de tranziţie (măsurată în Hz), ripple-ul (dB) şi atenuarea în banda de oprire (dB). Proiectarea filtrelor poate fi considerată o procedură de aproximare a răspunsului în frecvenţă al unui filtru ideal cu respectarea unor specificaţii (performanţe) impuse.

Amplitudine Amplitudine AmplitudineAmplitudine

f f f ft f ft ft1 ft1 ft2 ft2

FTJ FTS FTB FOB

BT BT BT BT BT BO BO BO BO BO

20

Fig. 2.21. Răspunsul în frecvenţă al filtrelor reale După cum se observă din analiza Fig. 2.20 şi Fig. 2.21, între filtrele ideale şi cele reale

există o serie de deosebiri. Amplitudinea în banda de trecere şi în banda de oprire în cazul ideal este plată şi constantă, dar în cazul filtrelor reale apare fenomenul de ripple. Filtrele ideale nu au bandă de tranziţie, care apare însă la implementarea practică. Proiectarea filtrelor trebuie să realizeze un compromis pentru obţinerea unor valori ale parametrilor (ripple, atenuarea în banda de oprire, lăţimea benzii de tranziţie) cât mai apropiate de cazul ideal, compromis care depinde de structura filtrului şi de algoritmul de proiectare.

2.5.2. Consideraţii privind filtrarea şi fenomenul de aliasing Filtrarea reprezintă una din operaţiunile importante de condiţionare a semnalului la

nivelul interfeţelor de proces. Filtrarea care se foloseşte cel mai des este filtrarea trece jos, care are ca rol fie reducerea zgomotelor suprapuse peste semnalul util, fie eliminarea erorilor de aliasing care pot apare la eşantionare.

Cele mai simple filtre trece jos sunt filtrele RC, care sunt destinate atenuării zgomotelor de 50 Hz induse de reţea şi de cuplajele electromagnetice. Alte tipuri de zgomote care trebuie eliminate sunt cele datorate vibraţiilor şi zgomotul termic.

Dacă trebuie obţinută o rejecţie importantă a perturbaţiilor de frecvenţă ridicată, fără a afecta frecvenţa de eşantionare a semnalului, trebuie utilizate filtre mai complicate. Uneori, filtrele analogice sunt completate cu filtrele numerice din interfaţa de proces.

Un filtru trece jos folosit pentru evitarea distorsiunilor produse de frecvenţele înalte asupra semnalelor eşantionate este cunoscut sub numele de filtru antialiasing. Un filtru antialiasing va rejecta componentele cu frecvenţa mai mare decât jumătate din frecvenţa de eşantionare.

Fenomenul de aliasing, numit şi fenomenul de ambiguitate în domeniul frecvenţă, constă în suprapunerea în anumite condiţii a spectrelor semnalelor eşantionate. Aliasingul

Amplitudine

Amplitudine Amplitudine

Amplitudine

f

ffTR

FTJ

ripple

atenuarea în BO

FTS

FTB

f

FOB

TR

TR TR TR TR

BT BTBT

BT BT BOBO

BO BO BO

21

apare atunci când semnalul eşantionat conţine componente de frecvenţă mai mare decât jumătate din frecvenţa de eşantionare. Aceste componente pot proveni fie de la semnalul util, caz în care a fost greşit aleasă frecvenţa de eşantionare (subeşantionare) şi prin urmare trebuie mărită această frecvenţă, sau provin de la zgomote, caz în care trebuie folosit un filtru.

Fenomenul de aliasing poate fi definit astfel: „atunci când eşantionăm un semnal cu o frecvenţă de eşantionare ef , dacă k este un număr întreg, nu se poate face distincţie între valorile eşantionate ale unei sinusoide cu frecvenţa de 0f Hz şi cele ale unei sinusoide cu frecvenţa de )( 0 ekff + Hz ”.

Alegerea frecvenţei de eşantionare se face conform teoremei eşantionării (Shannon), care afirmă că frecvenţa de eşantionare trebuie să fie mai mare sau egală decât dublul celei mai înalte frecvenţe din semnalul analogic util:

Bfe 2≥ (2.27)

unde B este banda semnalului (frecvenţa cea mai înaltă din spectrul semnalului analogic). Frecvenţa de eşantionare minimă fN = 2B se numeşte frecvenţă Nyquist.

Din Fig. 2.22 se observă cum spectrul unui semnal continuu este transformat prin eşantionare într-un spectru discret, care conţine spectrul original plus o infinitate de replici în ambele direcţii ale spectrului. Spectrul original poate fi reconstituit din cel discret cu ajutorul unui FTJ. Dacă frecvenţa de eşantionare este mai mare decât frecvenţa Nyquist (ca în cel de-al doilea grafic) atunci fenomenul de aliasing (de suprapunere sau ambiguitate în frecvenţă) nu apare. Dacă frecvenţa de eşantionare este sub fN atunci se observă cum apare aliasingul (cel de-al treilea grafic).

Fig. 2.22. Spectrul semnalului analogic şi spectrul discret. Fenomenul de aliasing

B -B

B fe/2-fe/2 fe-fe

f

f

Spectru continuuX(f)

Spectru discret Xe(f) fe>2B

-B B

fe/2-fe/2

fe-fe

f

Spectru discret Xe(f) fe = 1.5B

-B

1/Te

1/Te

-B/2B/2

Aliasing

22

Prin urmare, alegerea unei frecvenţe de eşantionare corespunzătoare pare să rezolve aliasingul. Cu toate acestea, dacă peste semnalul analogic util este suprapus un zgomot, aliasingul apare chiar dacă frecvenţa de eşantionare este corect aleasă. De exemplu vom presupune că CAN – ul este configurat pentru eşantionarea cu o frecvenţă de 4 Hz a unui semnal util de tip sinusoidal de 1 Hz. Deoarece frecvenţa de eşantionare este de 4 ori frecvenţa semnalului analogic, teorema eşantionării este respectată. Dacă avem un semnal (zgomot) tot de tip sinusoidal de 5 Hz suprapus peste semnalul util atunci, aşa cum se vede din Fig. 2.23, cele două semnale nu vor putea fi distinse după eşantionare (sinusoida de 1 Hz va avea aceleaşi eşantioane ca şi cea de 5 Hz la o frecvenţă de eşantionare de 4 Hz).

Acest fenomen se elimină doar cu ajutorul unui FTJ analogic antialiasing (FTJ – AA) plasat înainte de CAN, aşa cum se poate observa din schema bloc din Fig. 2.24.

Fig. 2.23. Aliasingul în domeniul timp

Fig. 2.24. Schema de conversie cu filtrare antialiasing

Deşi teoretic este suficientă alegerea unei frecvenţe de eşantionare egală cu frecvenţa Nyquist, în practică se aleg frecvenţe de eşantionare de zeci sau chiar sute de ori mai mari pentru a obţine o reprezentare cât mai corectă a semnalului analogic. Această afirmaţie este susţinută de graficele din Fig. 2.25. O frecvenţă de eşantionare mică determină un semnal eşantionat care are alura unui semnal triunghiular, în timp ce un semnal eşantionat de mare fidelitate este obţinut la o frecvenţă de eşantionare mare.

FTJ – AA CANSemnal continuu original Semnal continuu

filtrat Semnal discret

spectru zgomote spectru semnal util

filtru

B – B f

spectru semnal util

B– B f

spectru semnal eşantionat

B -B ffe -fe

fe/2 -fe/2

23

Fig. 2.25. Alegerea frecvenţei de eşantionare

2.5.3. Filtre numerice

Filtre cu răspuns finit la impuls (FIR) Datorită avantajelor incontestabile faţă de filtrele analogice, filtrele numerice sunt

utilizate în numeroase aplicaţii de conducere şi achiziţie. Filtrele numerice liniare clasice sunt de două tipuri: filtre cu răspuns finit la impuls (Finite Impulse Response Filters – FIR) şi filtre cu răspuns infinit la impuls (Infinite Impulse Response Filters – IIR).

Filtrele FIR utilizează numai eşantioane actuale (curente) sau trecute ale intrării pentru obţinerea valorii curente (actuale) a ieşirii. Filtrele FIR sunt filtre nerecursive şi realizează de fapt o operaţiune de mediere. Ieşirea unui filtru FIR se exprimă ca o convoluţie finită discretă:

)1()1()1()1()()0(

)()()(1

0

+−−++−+=

=−= ∑−

=

MnxMhnxhnxh

knxkhnyM

k

L

(2.28)

unde y(n) este ieşirea filtrului la momentul n, x este intrarea în filtru iar h sunt ponderile (coeficienţii) filtrului. Numărul M (în engleză număr de „tap”-uri, taps) reprezintă lungimea filtrului FIR (sau numărul de coeficienţi) şi indică numărul de produse xh ⋅ (produse de tip coeficient ⋅ întârziere) din ieşirea filtrului. Numărul M indică totodată şi cantitatea de memorie necesară pentru implementarea filtrului. După cum se observă şi din relaţia (2.28), numele de FIR provine de la faptul că dacă avem o durată finită a valorilor de intrare nenule, ieşirea filtrului va avea totdeauna o durată finită de valori nenule. De exemplu, dacă intrarea este un impuls discret unitar (un eşantion „1” urmat de eşantioane nule „0”), ieşirea va deveni zero după ce eşantionul „1” trece prin linia de întârziere dată de coeficienţii filtrului. Cu alte cuvinte, avem un răspuns finit la impuls. Filtrele FIR (spre deosebire de filtrele IIR) nu au reacţie (feedback). Din relaţia (2.28) se poate obţine rapid transformata Z a unui filtru FIR (funcţia de transfer în domeniul z):

24

∑−

=

−==1

0)(

)()()(

M

k

kzkhzXzYzH (2.29)

Schema bloc a unui filtru FIR rezultă din relaţiile (2.28), (2.29) şi este prezentată în Fig. 2.26.

Fig. 2.26. Schema bloc a unui filtru FIR

Răspunsul la impuls al unui filtru FIR este ieşirea în domeniul timp a filtrului atunci când la intrare se aplică un impuls unitar (un „1” urmat de zerouri). Răspunsul la impuls al filtrelor FIR este identic cu valorile celor M coeficienţi ai filtrului (rezultă din (2.28)). Prin urmare la filtrele FIR răspunsul la impuls şi coeficienţii filtrului sunt noţiuni echivalente.

Performanţele unui filtru FIR pot fi îmbunătăţite prin modificarea numărului şi valorilor coeficienţilor. Performanţele sunt de regulă apreciate în funcţie de forma răspunsului filtrului în domeniul frecvenţă.

Răspunsul în frecvenţă (caracteristica de frecvenţă) al unui filtru FIR se poate calcula de exemplu cu ajutorul transformării Fourier discrete (DFT) şi prin apelarea unei proprietăţi bine cunoscute a relaţiei de convoluţie (2.28), şi anume aceea că transformata Fourier discretă a produsului de convoluţie este produsul transformatelor Fourier discrete:

)()()()()()()()(1

0mYmXmHnxkhknxkhny DFTInversa

DFTM

k=⋅

← →

∗=−= ∑−

= (2.30)

unde H(m) este transformata Fourier discretă a secvenţei h(k), X(m) este transformata Fourier discretă a secvenţei de intrare x(n), iar Y(m) este transformata Fourier discretă a ieşirii filtrului (m este indicele DFT în domeniul frecvenţă). Răspunsul în frecvenţă este H(m), care este chiar transformata Fourier discretă a răspunsului la impuls h(k). Pentru exemplificarea calculului răspunsului în frecvenţă vom considera un filtru FIR care are M = 5, iar coeficienţii sunt egali h(k) = 0.2, k = 0 …4, adică un filtru FIR tip boxcar. Prin aplicarea DFT lui h(k), după o completare cu 59 de zerouri, se obţine răspunsul în frecvenţă H(m), care are modulul (normalizat) şi faza prezentate în Fig. 2.27. Numărul de puncte în care calculăm DFT este de N = 64 datorită folosirii tehnicii de completare cu zerouri (zero padding). Cele N puncte se regăsesc în intervalul de frecvenţă 0 ÷ fe , unde fe este frecvenţa de eşantionare. Transformata Fourier discretă H(m) (care este numită răspuns în frecvenţă al filtrului) este de tip funcţie sinus cardinal (sinc = sin(x)/x), aşa cum se observă şi din Fig. 2.27.

Din Fig. 2.27 se observă de asemenea că faza unui filtru FIR este liniară (cu excepţia discontinuităţilor, care au dimensiunea de π radiani), liniaritate datorată simetriei coeficienţilor. După cum vom vedea, coeficienţii unui filtru FIR sunt constanţi (adică invariabili în timp – în caz contrar este vorba de filtre adaptive) dar pot să nu fie egali între ei ca în exemplul de mai sus (trebuie însă să fie simetrici pentru a avea faza liniară). Trebuie

z-1 z-1 z-1 z-1

+

x(n-1) x(n) x(n-2) x(n-3) x(n-M-2) x(n-M+1)

h(0) h(1) h(2) h(3) h(M-2) h(M-1)

y(n)

25

remarcat faptul că filtrele FIR introduc o întârziere care depinde de numărul coeficienţilor filtrului, întârziere definită ca fiind derivata fazei în funcţie de frecvenţă, adică panta fazei, pantă care este constantă datorită liniarităţii fazei. Această întârziere în timp este dată de formula: )*2/()1( efM − pentru M impar, respectiv )*2/( efM pentru M par.

Pentru a analiza mai bine răspunsul în frecvenţă al filtrului, vom face o reprezentare până la frecvenţa 2/fe , cu ajutorul unei aplicaţii LabVIEW, fereastra panou a aplicaţiei fiind prezentată în Fig. 2.28.

Fig. 2.27. Modulul )(mH şi faza )(mHϕ pentru 40,2.0)( L== kkh

h(k)

k

)(mH

m

)(mHϕ

m

0.2

630 4

45

90

135

-45

-90

-135

180

-180

26

Trebuie făcută aici observaţia că deşi în toate graficele apar linii continue, avem de fapt secvenţe de numere, adică semnale discrete, care sunt puncte pe graficele respective, atât în domeniul timp cât şi în domeniul frecvenţă (liniile continue sunt interpolări între aceste puncte). Forma modulului sugerează caracterul de filtru trece jos datorat operaţiei de mediere tipică filtrelor FIR. Se observă apariţia lobilor laterali care este de dorit să fie de amplitudine cât mai mică. Acest lucru se poate realiza prin considerarea altor seturi de coeficienţi h(k), care să nu aibă valori egale, ştiut fiind că schimbările abrupte ale valorilor coeficienţilor (de la 0 la 0.2 de exemplu) provoacă apariţia lobilor secundari.

În Fig. 2.29 este prezentat cazul în care coeficienţii filtrului sunt ,03.0)0( =h ,11.0)1( =h ,2.0)2( =h ,11.0)3( =h 03.0)4( =h . Deşi în această figură nu

mai apar lobii secundari, ei există – sunt doar micşoraţi – şi pot fi vizualizaţi prin efectuarea unui zoom pe zona de interes sau prin reprezentarea la scară logaritmică. Un efect al modificării setului de coeficienţi este mărirea lăţimii lobului principal, care are un impact nedorit asupra capacităţii de filtrare.

Prin urmare este afectată banda de tranziţie a filtrului (transition band), care este banda de frecvenţă dintre banda de trecere şi banda de oprire ale filtrului. Cu cât banda de tranziţie este mai îngustă cu atât performanţele filtrului sunt mai bune. Pentru obţinerea unei benzi de tranziţie mici trebuie folosit un număr mare de coeficienţi M ai filtrului FIR.

Spre deosebire de considerarea unui set de coeficienţi şi analiza răspunsului în frecvenţă efectuată mai sus, operaţiunea opusă este proiectarea filtrelor FIR, ceea ce înseamnă obţinerea unui set de coeficienţi astfel încât filtrul să aibă un comportament dorit.

Pentru proiectarea filtrelor FIR se utilizează două metode principale: - metoda ferestrelor (Window Design Method) (sau metoda seriilor Fourier); - metoda optimală, numită şi metoda Parks-McClellan (uneori întâlnită şi sub

numele de metoda Remez).

Fig. 2.28. Răspunsul în frecvenţă – reprezentare până la 2/ef

27

Fig. 2.29

Metoda ferestrelor cuprinde trei etape principale. Prima etapă a metodei constă în

precizarea formei dorite a filtrului în domeniul frecvenţă (amplitudine, frecvenţă de tăiere). A doua etapă a metodei presupune determinarea coeficienţilor din domeniul timp ai filtrului FIR pe baza informaţiei oferite de răspunsul în frecvenţă. În cea de-a treia etapă, răspunsul la impuls al filtrului (coeficienţii) astfel obţinut este prelucrat pentru creşterea performanţelor prin aplicarea unor ferestre temporale.

Metoda ferestrelor este o metodă simplă şi rapidă de proiectare, dar rezultate mai bune se obţin cu metoda optimală (Parks-McClellan), metodă des utilizată în diverse aplicaţii. Metoda este implementată sub forma unei rutine (algoritm iterativ) care cere specificaţiile FIR (bandă de trecere, bandă de oprire etc.). Rezultatele obţinute sunt bune, dar metoda presupune un consum mare de timp (efort de calcul).

În Fig. 2.30 şi Fig. 2.31 este prezentat răspunsul în frecvenţă al unui FTJ-FIR pentru

cazul în care M = 15 coeficienţi, respectiv M = 31, în comparaţie cu răspunsul unui FTJ ideal. Din analiza Fig. 2.30 şi 3.31 se poate vedea că în cazul folosirii unui număr mai mare

de coeficienţi răspunsul FTJ-FIR (linie continuă groasă pentru o mai bună vizualizare – reamintim că, de fapt, este vorba despre puncte discrete) se apropie ceva mai mult de răspunsul ideal (caracteristica ideală). Banda de tranziţie din jurul frecvenţei de tăiere este cu atât mai îngustă (şi răspunsul mai abrupt şi mai apropiat de cazul ideal) cu cât M este mai mare.

O altă observaţie importantă care se poate face este aceea că în banda de trecere a filtrelor apar oscilaţii ale răspunsului în frecvenţă, aşa-numitele ripples, prezente indiferent de numărul de coeficienţi utilizat în proiectare. Apariţia ripple-ului este datorată utilizării unei secvenţe finite de coeficienţi – de fapt setul de coeficienţi se obţine efectuând un produs în domeniul timp între un set infinit de coeficienţi corespunzător unui filtru ideal (secvenţă

28

infinită dată de funcţia sinus cardinal sinc) şi o fereastră rectangulară (dreptunghiulară) a cărei lăţime stabileşte lungimea setului, realizând o trunchiere. Schimbările bruşte de la începutul şi sfârşitul ferestrei rectangulare care „decupează” un număr finit de coeficienţi din secvenţa infinită determină apariţia oscilaţiilor. Prezenţa acestui ripple poartă numele de fenomenul sau paradoxul lui Gibbs. Oricât am mări numărul de coeficienţi – deci indiferent de lăţimea ferestrei rectangulare, fenomenul de ripple nu dispare şi nu se micşorează ca amplitudine, acest paradox fiind explicat prin faptul că totdeauna setul este finit şi vor exista schimbările abrupte datorate ferestrei rectangulare şi implicit va exista ripple-ul.

Fig. 2.30. Răspunsul unui FTJ-FIR cu lungime M = 15

Fig. 2.31. Răspunsul unui FTJ-FIR cu lungime M = 31 Concluzia este că mărirea lui M conduce la îngustarea benzii de tranziţie dar nu şi la

dispariţia sau atenuarea ripple-lui din banda de trecere. Pentru micşorarea oscilaţiilor din banda de trecere a filtrului există soluţia folosirii

ferestrelor temporale. Pentru aplicarea ferestrelor temporale se multiplică secvenţa infinită a coeficienţilor dată de funcţia sin(x)/x cu una din ferestrele temporale: triunghiulară, Hanning, Hamming sau cu alte ferestre, cele mai utilizate fiind ferestrele Blackman, Kaiser, Cebâşev. Menţionăm că numele metodei de proiectare: metoda ferestrelor, provine de la folosirea acestor ferestre pentru îmbunătăţirea performanţelor FIR. Dezavantajul general al folosirii ferestrelor este legat de creşterea lobului principal al răspunsului şi deci creşterea benzii de tranziţie. Filtre cu răspuns infinit la impuls (IIR)

Filtrele IIR (Infinite Impulse Response Filters) diferă fundamental de filtrele FIR prin prezenţa reacţiei inverse. Filtrele IIR, care mai pot fi întâlnite sub denumirea de filtre recursive, au ieşirea dependentă de valoarea curentă şi valorile anterioare ale intrării cât şi de valorile anterioare ale ieşirii, de unde şi afirmaţia că aceste filtre sunt sisteme cu reacţie inversă. Numele de IIR provine de la faptul că răspunsul la impuls al unui astfel de filtru are, teoretic, un număr infinit de valori nenule, adică are o durată infinită.

Filtrele IIR au ca avantaj major faţă de cele FIR utilizarea unui număr redus de calcule, deci memorie necesară mai mică şi rapiditate mai mare. Dezavantajele sunt legate de

ft Frecvenţă

ripple

Banda de tranziţie

)(mH

Răspunsul unui filtru ideal trece-jos

Răspunsul pentru M = 15

ft Frecvenţă

ripple

Banda de tranziţie )(mH

Răspunsul unui filtru ideal trece-jos

Răspunsul pentru M = 31

29

dificultăţile sporite de analiză şi proiectare, scheme bloc complicate, fază neliniară, zgomote de calcul şi overflow datorate feedback-ului.

În Fig. 2.32 este prezentată amplitudinea răspunsului în frecvenţă al unui filtru IIR trece jos de ordin 4 comparativ cu răspunsul unui filtru FIR de lungime M = 15. Filtrul FIR necesită 15 multiplicări pentru fiecare eşantion de ieşire al filtrului, în timp ce filtrul IIR de ordinul 4 necesită doar 9 multiplicări. În plus, din Fig. 2.32 se observă că ripple-ul din banda de trecere este mai mic şi banda de tranziţie este mai îngustă la filtrul IIR.

Fig. 2.32. Comparaţie între filtrele FIR şi IIR – răspunsul în frecvenţă

Forma generală a ecuaţiei cu diferenţe a unui filtru IIR (domeniul timp) de ordin M este următoarea:

)()()2()2()1()1()()()1()1()()0(

)()()()()(10

MnyManyanyaNnxNbnxbnxb

knykaknxkbnyM

k

N

k

−++−+−++−++−+=

=−+−= ∑∑==

L

L (2.31)

Din relaţia (2.31) se observă că ieşirea filtrului la momentul n depinde de valoarea

curentă şi de valorile anterioare ale intrării x precum şi de M valori anterioare ale ieşirii. Spre deosebire de filtrele FIR, aici apar două seturi de coeficienţi şi anume coeficienţii b(k) de pe calea directă care ponderează valorile intrării şi setul a(k) de pe reacţie care ponderează valorile ieşirii. Proiectarea unui filtru IIR presupune obţinerea celor două seturi de coeficienţi. Metodele directe utilizate pentru filtre FIR nu mai pot fi aplicate în cazul IIR.

Expresia ieşirii filtrului de ordinul M în domeniul complex z se obţine prin aplicarea transformării Z relaţiei (2.31) astfel:

∑∑=

−

=

−

−−−

−−

+=

=++++++++=

M

k

kN

k

k

M

N

zkazYzkbzX

zYzMazYzazYzazXzNbzXzbzXbzY

10

21

1

)()()()(

)()()()2()()1()()()()1()()0()(

L

L

(2.32)

Transformata Z a filtrului IIR (funcţia de transfer în domeniul z) va fi:

∑

∑

=

−

=

−

−== M

k

k

N

k

k

zka

zkb

zXzYzH

1

0

)(1

)(

)()()( (2.33)

ft Frecvenţă

)(mHRăspunsul unui filtru ideal trece-jos

Răspunsul unui filtru FIR cu M = 15

Răspunsul unui filtru IIR de ordin 4

30

Pentru a obţine un filtru IIR stabil trebuie utilizat un set de coeficienţi a(k) astfel încât polii funcţiei de transfer (2.33) să fie în interiorul cercului unitate din planul complex z (eventual să existe cel mult poli simpli pe cerc). Structura generală a unui filtru IIR de ordin M, cu N coeficienţi pe calea directă şi M coeficienţi pe calea inversă se poate obţine direct din relaţiile (2.31), (2.32) şi poartă numele de Forma Directă I – Fig. 2.33.

Fig. 2.33. Structura generală a unui filtru IIR – Forma Directă I

Structura prezentată mai sus poate fi modificată astfel încât să fie obţinute anumite avantaje de implementare. Vom considera în continuare că N = M. Din Fig. 2.33 se observă că filtrul IIR poate fi privit ca o conexiune de două filtre şi anume un filtru care utilizează coeficienţii b(k) pentru calculul secvenţei c(n) folosind intrarea x(n) şi un al doilea care foloseşte coeficienţii a(k) pentru calculul lui y(n) utilizând secvenţa c(n). Datorită liniarităţii, cele două filtre pot fi comutate între ele fără a modifica ieşirea finală y(n). Apare o secvenţă intermediară notată d(n). Structura care se obţine este redată în Fig. 2.34 şi este echivalentă cu Forma Directă I. Din analiza acestei structuri intermediare se vede că se poate elimina una din căile secvenţei d(n) şi prin urmare se poate renunţa la jumătate din blocurile de întârziere z-1, obţinând o structură simplificată adecvată implementării hardware, structură care se numeşte Forma Directă II, prezentată în Fig. 2.35.

Proiectarea unui filtru IIR constă în determinarea celor două seturi de coeficienţi de pe

calea directă şi de pe reacţie, astfel încât filtrul obţinut să aibă un comportament dorit, care de regulă aproximează un răspuns ideal al unui filtru analogic (continuu). Cele mai utilizate metode de proiectare sunt:

- metoda invarianţei răspunsului la impuls - metoda transformării biliniare - metode de proiectare optimizată

x(n) y(n)

b(N) a(M)

b(1)

z-1

z-1

z-1z-1

+

z-1

z-1

x(n-1)

x(n-N)

x(n-2)

b(0)

b(2)

+

y(n-1)

y(n-2)

y(n-M)

a(2)

a(1)

c(n)

31

Fig. 2.34. Structura intermediară a filtrului IIR

Fig. 2.35. Structura generală a unui filtru IIR – Forma Directă II

Primele două metode utilizează tehnici analitice pentru proiectarea filtrului numeric care aproximează un filtru analogic. În ambele metode se pleacă de la filtrul analogic prototip descris prin ecuaţia intrare-ieşire din domeniul complex s obţinută cu ajutorul transformatelor Laplace. Din această ecuaţie, în etapa următoare se obţine transformata Z a filtrului numeric, după care aplicând transformarea Z inversă se obţin coeficienţii a(k) şi b(k). Aceşti coeficienţi sunt utilizaţi la implementarea filtrului IIR cu una din schemele prezentate. De obicei, structura filtrului analogic folosit ca model în proiectare este aleasă dintre filtrele analogice des utilizate cum ar fi Butterworth sau Cebâşev.

Metodele de proiectare optimizată sunt utilizate atunci când răspunsul în frecvenţă al filtrului IIR dorit nu este standard. Pentru că în acest caz nu putem defini cu uşurinţă funcţia

b(N)a(N)

x(n)

b(1)

y(n)

z-1

+

z-1

z-1

d(n-1)

d(n-N)

d(n-2)

b(0)

b(2)

+

d(n-1)

d(n-2)

d(n-N)

a(2)

a(1)

d(n)

z-1

z-1

z-1

b(N)a(N)

x(n)

b(1)

y(n) +

z-1

z-1

z-1

d(n-1)

d(n-N)

d(n-2)

b(0)

b(2)

+

a(2)

a(1)

d(n)

32

de transfer a filtrului numeric, se utilizează algoritmi software, care, pe baza descrierii răspunsului în frecvenţă dorit, minimizează eroarea dintre acest răspuns şi răspunsul curent al filtrului. Astfel, coeficienţii filtrului sunt ajustaţi în mod iterativ până la atingerea unei erori minime sau pentru un număr finit de iteraţii. Majoritatea software-ului comercial de prelucrare numerică a semnalelor conţine pachete de programe cu subrutine de proiectare a filtrelor IIR care utilizează metode de optimizare. Datorită disponibilităţii acestor rutine, chiar şi filtrele standard, simple, sunt proiectate prin aceste metode de optimizare, evitând tehnicile analitice de proiectare.

Aceste rutine de proiectare necesită informaţii minime despre amplificările şi frecvenţele filtrului (care, de fapt, impun o anumită formă a răspunsului în frecvenţă), precum şi despre ordinul acestuia. De exemplu, specificaţiile unui FTJ-IIR pot fi frecvenţa de tăiere

tf şi valoarea amplitudinii la această frecvenţă, banda de tranziţie, atenuarea în banda de oprire şi valoarea ripple-ului în banda de trecere. Specificaţiile – care sunt totodată parametri de proiectare – se pot da şi la scară logaritmică (în decibeli) pentru amplificări/ atenuări. Pentru filtre de alte tipuri (trece-bandă, opreşte-bandă) apar şi alte specificaţii cum ar fi frecvenţa de tăiere superioară.

33

CAP. 3. CONVERSII NUMERIC-ANALOGICE ŞI ANALOG-NUMERICE

Informaţiile provenite din lumea fizică reală trebuie convertite într-o formă compatibilă pentru prelucrarea lor în calculator. De asemenea, semnalele provenite de la calculator (comenzi în cazul sistemelor de conducere) trebuie convertite într-o formă corespunzătoare echipamentelor cuplate la calculator.

În Fig. 3.1 este prezentată principial schema de intrare a unor semnale fizice în calculator. Se observă că după blocul corespunzător senzorilor şi circuitelor de condiţionare a semnalelor urmează un bloc de conversie analog-numerică, care are ca element principal convertorul analog-numeric (CAN). Fig. 3.2 ilustrează conversia numeric-analogică, cel mai important bloc din schemă fiind convertorul numeric-analogic (CNA).

Fig. 3.1. Conversia analog-numerică

Fig. 3.2. Conversia numeric-analogică În paragrafele următoare vor fi descrise reprezentările mărimilor numerice în cod binar şi vor fi analizate schemele de conversie numeric-analogică şi analog-numerice.

Sistem fizic Traductor + condiţionare

semnal CAN Calculator

10110110

Semnal fizic (Deplasare, Temperatură, Debit, Presiune, …)

Semnal electric (analogic) (Tensiune)

Semnal electric (Eşantionare, Cuantificare)

Semnal electric(Formă numerică)

Condiţionare semnal CNA Calculator

10110110

Semnal electric (analogic) (Tensiune)

Semnal electric (Cuantificat)

Semnal electric (Formă numerică)

34

3.1. CODURI NUMERICE BINARE Spre deosebire de reprezentarea obişnuită a numerelor în sistem zecimal, se ştie că în interiorul calculatoarelor se utilizează reprezentarea binară, care foloseşte numai valori de 0 şi de 1, numiţi digiţi binari sau biţi. Baza sistemului este 2, iar ponderile coeficienţilor depind de puterile lui 2. De exemplu, numărul 23 în baza zece se scrie 10111 în baza 2: (23)10 = 2 x 101 + 3 x 100 ; (10111)2 → 1 x 24 + 0 x 23 + 1 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20 = 23

În continuare vom prezenta câteva din cele mai utilizate coduri binare, coduri care pot fi clasificate în două categorii: coduri binare unipolare şi coduri binare bipolare (necesare deoarece semnalul fizic are în multe situaţii amplitudine bipolară: pozitivă şi negativă). 3.1.1. Coduri binare unipolare

Cel mai cunoscut cod binar unipolar este codul binar natural. Bitul cel mai din dreapta este cel mai puţin semnificativ bit (Least Significant Bit – LSB) iar bitul cel mai din stânga este cel mai semnificativ bit (Most Significant Bit – MSB). În codul binar natural ponderea fiecărui bit depinde de poziţia acestuia în cadrul şirului. Exemplul de reprezentare anterior pentru numărul 23 (în baza 10) este un cod binar natural: 10111. Trebuie să observăm că şi numărul binar 00010111 reprezintă tot numărul 23. Dacă şirul are n biţi, bitul MSB are o pondere de 2n-1, iar numărul maxim care poate fi reprezentat în cod binar natural este 2n-1. Pentru a codifica 2n nivele sunt necesari minimum n biţi. Un digit zecimal (o cifră zecimală) necesită cel puţin 4 biţi pentru codificare binară. Dacă vom considera numărul binar ca fiind o fracţie dintr-un întreg sau dintr-un domeniu (situaţie întâlnită la CAN-uri), pentru un număr de n biţi bitul MSB va avea o pondere de 2-1 iar bitul LSB de 2-n, ceea ce înseamnă că la stânga numărului binar avem un punct binar (similar cu punctul zecimal). De exemplu, în cazul numărului binar 10111:

1 x 2-1 + 0 x 2-2 + 1 x 2-3 + 1 x 2-4 + 1 x 2-5 = 3223

21

21

21

21

5431 =+++ Ponderea bitului LSB de 2-n este cea care dă rezoluţia reprezentării pe n biţi, rezoluţie care trebuie înţeleasă în sensul definirii numărului maxim de valori distincte ale mărimii de intrare într-un CAN. Rezoluţia determină în cazul CAN tensiunea minimă ce poate fi reprezentată atunci când cuantificăm un semnal continuu (analogic): rDU ×=min unde D este domeniul maxim şi r este rezoluţia. De exemplu, dacă avem un semnal analogic

de până la 10 V şi o codificare pe 5 biţi, rezoluţia va fi 3212 5 == −r , iar

VU 3125.032110min =⋅= .

Se poate folosi şi o reprezentare procentuală a rezoluţiei: %125.3%100321

% =⋅=r .

În tabelul 3.1 sunt date rezoluţiile pentru câteva valori ale lui n. Se observă că pentru îmbunătăţirea rezoluţiei este necesară creşterea numărului de biţi

utilizat pentru codificare. Codul zecimal codificat binar este un alt cod unipolar, care foloseşte pentru

codificarea fiecărei cifre zecimale 4 biţi, cu ponderile în varianta 8 – 4 – 2 – 1. Pentru a codifica un număr zecimal cu codul zecimal codificat binar, fiecare cifră a numărului zecimal

35

trebuie codificată separat în echivalentul ei pe 4 biţi. De exemplu, numărul zecimal 8391 este codificat astfel:

1000 0011 1001 0001

Tabelul 3.1. Numărul de biţi n 2n r r%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024

0.5 0.25 0.125 0.0625 0.0312 0.0156 0.0078 0.0039 0.0019 0.0009

50 25

12.5 6.25 3.12 1.56 0.78 0.39 0.19 0.09

3.1.2. Coduri binare bipolare Aceste coduri binare au posibilitatea de a codifica şi semnul (polaritatea) mărimii analogice. Semnul este codificat cu ajutorul unui bit plasat pe poziţia cea mai din stânga a şirului. Folosirea acestui bit determină dublarea domeniului analogic, dar rezoluţia se dublează şi ea. Codul complement faţă de doi este unul dintre cele mai utilizate coduri bipolare. Numerele pozitive sunt reprezentate cu un bit 0 pentru semn, iar cele negative sunt obţinute prin complementarea fiecărui bit al numărului pozitiv şi prin adăugarea unui 1. Are avantajul unei reprezentări unice pentru zero.

Codul complement faţă de unu este obţinut prin complementarea fiecărui bit din numărul pozitiv.

Codul semn – amplitudine utilizează acelaşi cod pentru numerele pozitive şi pentru cele negative, cu excepţia bitului MSB care este 0 pentru cele pozitive şi 1 pentru cele negative. Este utilizat pentru semnale care au valori în jurul lui zero, deoarece are tranziţii mici în jurul lui zero.

Codul binar offsetat este similar cu codul complement faţă de doi, diferenţa fiind la MSB (1 pentru numere pozitive, 0 pentru negative).

Codurile bipolare sunt prezentate comparativ în tabelul 3.2 (pentru 4 biţi). Pentru a converti un număr dintr-un cod în altul se pot utiliza algoritmi de conversie.

Tabelul 3.2. Coduri binare bipolare

Număr zecimal

Fracţia zecimală

Codul complement faţă de doi

Codul complement faţă de unu

Codul semn-amplitudine

Codul binar offsetat

+7 +6 +5 +4 +3 +2 +1 0

+7/8 +6/8 +5/8 +4/8 +3/8 +2/8 +1/8 0+

0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000

0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000

0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000

1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000

36

0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

0- -1/8 -2/8 -3/8 -4/8 -5/8 -6/8 -7/8 -8/8

(0000) 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001

(1000)

1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000

1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

(1000) 0111 0110 01101 0100 0011 0010 0001

(0000) 3.2. CONVERTOARE NUMERIC-ANALOGICE (CNA) 3.2.1. Reconstituirea semnalelor Reconstituirea (reconstrucţia) fizică a semnalelor este operaţia utilizată atunci când se doreşte ca un semnal eşantionat şi eventual prelucrat numeric de către un sistem de calcul să fie reconstituit din eşantioanele sale şi furnizat în formă analogică la ieşirea sistemului. Într-un sistem de achiziţie şi conducere, reconstituirea şi generarea semnalelor analogice se realizează prin intermediul circuitelor de ieşiri analogice. Reconstituirea fizică se realizează prin intermediul unui grup de dispozitive, dintre care rolul esenţial îl are convertorul numeric-analogic. În Fig. 3.3 este prezentată organizarea generală a unui circuit de ieşire analogică.

Fig. 3.3. Schema bloc a reconstituirii fizice a semnalelor (organizarea ieşirilor analogice)

Convertorul numeric-analogic realizează o aproximare a operaţiei de extrapolare de ordin zero. CNA-ul acceptă la intrarea sa semnalul în formă numerică, registrul tampon (bufferul) fiind utilizat pentru păstrarea datelor (numerelor binare) pentru un interval de timp egal cu perioada de eşantionare (Te). CNA-ul converteşte numărul binar într-o tensiune aproximativ egală cu valoarea actuală a semnalului numeric şi o menţine constantă pentru Te secunde. Atunci când următorul număr apare la ieşirea bufferului, CNA-ul va schimba tensiunea de ieşire conform noii valori de la intrare. Principial, forma semnalului la ieşirea CNA este similară ieşirii extrapolatorului de ordin zero (Fig. 3.4).

Fig. 3.4. Forma semnalului de ieşire din CNA (răspunsul unui extrapolator de ordin zero)

CNA Buffer Izolare galvanică

Filtru de netezire

Amplificator de putere

Semnal numeric

Semnal analogic

Semnal de ceas (Te)

x(n)x(t)

x(t)

t

semnal ideal x(t)

37

La ieşirea CNA (Fig. 3.3) se utilizează un filtru de tip trece jos care are rolul de a netezi semnalul provenit de la convertor, apoi un amplificator de putere care are rolul adaptării de nivel şi de putere cu circuitele spre care este transmis semnalul analogic. În unele cazuri, la ieşirea CNA se dispune un circuit de izolare galvanică.

3.2.2. Tipuri de CNA

Convertoarele numeric-analogice sunt dispozitive utilizate la conversia semnalelor din forma numerică, provenite de regulă de la un sistem de calcul, în formă analogică. Semnalele numerice de intrare în CNA sunt cuvinte cu lungimi de regulă între 8 şi 16 biţi. Semnalele analogice de la ieşirea CNA sunt fie tensiuni continue (în gama 0 – 10 V, -10 – +10 V) fie curenţi continui (de ordinul miliamperilor). CNA-urile funcţionează pe baza principiului superpoziţiei efectelor: curentul printr-o rezistenţă de sarcină este dat de suma curenţilor care străbat o reţea de rezistenţe conectate la rezistenţa de sarcină. La rândul lor, aceşti curenţi sunt determinaţi de valorile binare 1 sau 0 ale cifrelor cuvântului de intrare în convertor, precum şi de rangul acestor cifre. Rezistenţele corespunzătoare cifrelor binare sunt introduse în circuit atunci când cifra binară asociată este 1 sau sunt deconectate în caz contrar, prin intermediul unor comutatoare electronice. Cele mai obişnuite tipuri de reţele sunt cele cu rezistenţe ponderate şi cu rezistenţe R – 2R. Comutatoarele electronice se pot realiza cu tranzistoare bipolare sau cu tranzistoare cu efect de câmp. În Fig. 3.5 este prezentată schema bloc de principiu a unui CNA pe n biţi.

Fig. 3.5. Schema bloc a unui CAN

Convertorul numeric-analogic are n buffere care au rolul de a memora valoarea actuală a intrării binare care trebuie convertită într-un semnal analogic. Ieşirile bufferelor controlează câte un comutator (cheie) care este asociat unei anumite rezistenţe din reţea. O tensiune internă de referinţă de mare precizie este conectată la reţeaua de rezistenţe pentru stabilirea domeniului tensiunii de ieşire. Amplificatorul operaţional furnizează tensiunea de ieşire Ue care va depinde de acţiunea comutatoarelor care pot conecta sau deconecta rezistenţe din circuit. Pentru înţelegerea principiului de proiectare a unui astfel de convertor, în Fig. 3.6 este prezentat un CNA pe 4 biţi. Se observă că registrul care conţine biţii de intrare controlează cele 4 comutatoare, astfel încât sunt posibile 16 configuraţii în funcţie de poziţia comutatoarelor. Amplificatorul operaţional este conectat ca un circuit de însumare.

A.O.

UeReţea de rezistenţe

Tensiune de referinţă

n Buffere +

n Comutatoare cu tranzistoare

__ CS

D0

Dn

38

Fig. 3.6. Structura unui CNA pe 4 biţi cu rezistenţe ponderate

Pentru o anumită configuraţie a comutatoarelor, tensiunea de ieşire este determinată de produsul dintre tensiunea de referinţă şi raportul dintre rezistenţa de pe reacţie şi rezistenţa introdusă în circuit de comutatoare. De exemplu, dacă doar MSB este 1 şi ceilalţi biţi sunt 0 vom avea:

refrefe UUR

RU21

2==

Dacă bitul 2 este 1 şi ceilalţi sunt 0 tensiunea de ieşire va fi:

refrefe UUR

RU41

4==

Dacă avem MSB egal cu 1, bitul 2 şi bitul 1 sunt 0 iar LSB este 1 atunci tensiunea de ieşire va fi o sumă a efectelor combinate ale comutatoarelor:

refrefrefe UUR

RUR

RU169

162=+=

Cu această structură de CNA se pot obţine 16 nivele de tensiune la ieşire. Pentru asigurarea unei dependenţe liniare intrare-ieşire este necesar ca rezistenţele să fie precise şi stabile.

O altă problemă este legată de implementarea practică a structurii pe un singur cip. Cazul prezentat corespunde alegerii unor rezistenţe în gama R – 16R. Valoarea unei rezistenţe implementate pe un circuit integrat porneşte de la valoarea realistă de 5 Ωk . Prin urmare rezistenţa de 16R va fi de 80 Ωk . În cazul unui CNA pe 8 biţi sunt necesare rezistenţe între 5 Ωk şi 1.28 ΩM , ceea ce este deja o problemă, deoarece spaţiul pe un cip este limitat şi nu se

pot implementa rezistenţe de valori mari. Pentru surmontarea acestei probleme se utilizează structuri de CNA bazate pe reţele de rezistenţe R – 2R, care se pretează foarte bine tehnologiei de fabricare a circuitelor integrate, deoarece se repetă aceleaşi operaţii de implantare a unor rezistenţe de valori mici şi egale.

Un CNA pe 4 biţi cu reţea R – 2R, echivalent cu cel din Fig.3.6, este prezentat în Fig. 3.7. Structura reţelei de rezistenţe din Fig. 3.7 este astfel proiectată încât oricare dintre comutatoare determină acelaşi efect în tensiunea de ieşire ca şi comutatorul similar din structura din Fig. 3.6.

A.O.

Ue

2R

R

4R

8R

16R

Registru

Bit 2

Bit 3

Bit 1

Bit 0

MSB

LSB

Uref

39

Fig. 3.7. CNA pe 4 biţi cu reţea de rezistenţe R – 2R

În proiectarea şi implementarea CNA-urilor cu circuite integrate trebuie acordată o atenţie deosebită aspectelor privind legarea la masă. Această problemă este valabilă de fapt pentru toate sistemele care conţin componente analogice şi numerice. Pentru reducerea zgomotelor trebuie ca traseul de masă pentru componentele analogice să fie separat în sistem de traseul de masă pentru cele numerice, urmând ca cele două trasee de masă să fie conectate într-un singur punct. Convertoarele prezentate furnizează un semnal de ieşire al cărui semn este acelaşi cu cel al tensiunii de referinţă. Pentru utilizările bipolare, bitul de semn este tratat separat, fiind folosit de exemplu un inversor comandat de bitul de semn, plasat la ieşirea convertorului.

3.3. CONVERTOARE ANALOG-NUMERICE (CAN) 3.3.1. Eşantionarea şi cuantificarea semnalelor

Un convertor analog-numeric acceptă la intrare un semnal continuu în timp x(t) sub forma unei tensiuni electrice şi furnizează la ieşire o secvenţă de numere binare x(n), care aproximează eşantioanele corespunzătoare x(nTe). Pentru majoritatea aplicaţiilor, tensiunea electrică de intrare nu este furnizată direct CAN-ului, ci printr-un dispozitiv numit element de eşantionare şi reţinere (memorare) – sample-hold (S/H). Elementul S/H este un circuit analogic care măsoară semnalul de intrare în ritmul unui tact (multiplu de Te) şi menţine acest semnal fixat pentru un interval de timp suficient de mare pentru ca operaţiunea de conversie analog-numerică să se poată realiza. Deoarece operaţiunea de conversie analog-numerică este

2R

A.O.

Ue

R

Registru

Bit 2

Bit 3

Bit 1

Bit 0

MSB

LSB

Uref

2R

2R

2R

2R

R

R

R

„1”

„1”

„1”

„1”

„0”

„0”

„0”

„0”

40

relativ lentă, este important ca o eventuală variaţie a tensiunii de intrare să nu perturbe procesul de conversie, şi prin urmare circuitul S/H previne aceste perturbaţii prin menţinerea constantă a tensiunii de intrare pe durata desfăşurării unei conversii.

Circuitele S/H sunt alcătuite de regulă dintr-un buffer urmat de un comutator electronic conectat la un condensator. Operaţiunea de eşantionare şi reţinere (sample and hold) constă în următoarele etape principale:

1. La un moment de eşantionare, comutatorul electronic conectează bufferul şi condensatorul la semnalul de intrare;

2. Condensatorul se încarcă cu tensiunea de intrare; 3. Sarcina condensatorului este menţinută atâta timp cât CAN-ul converteşte semnalul; 4. Dacă sunt mai multe canale conectate (multiplexate) la un CAN, etapele anterioare

sunt repetate pentru fiecare canal de intrare; 5. Întregul proces este repetat la următorul moment de eşantionare.

Un circuit de intrare analogică utilizat pentru eşantionarea semnalelor conţine de regulă un multiplexor, un circuit S/H şi un CAN – Fig. 3.8.

Fig. 3.8. Circuitul S/H conţine bufferele de intrare şi de ieşire de tip amplificator BI şi BO,

translatorul de nivel TN care asigură execuţia corectă a comenzii de eşantionare/memorare, comutatorul (cheia) electronic CE şi condensatorul de memorare C. Atunci când CE este închis circuitul este în aşa-numitul regim de eşantionare sau de urmărire, iar când CE este deschis – regimul de memorare.

Observaţie: Din punct de vedere al modului de eşantionare, hardware-ul de achiziţie poate realiza o eşantionare secvenţială a canalelor de intrare sau o eşantionare simultană (simultaneous sample and hold – SS/H). O dată realizată eşantionarea – adică preluarea eşantioanelor din semnalul de intrare, semnalul eşantionat trebuie convertit din tensiune (aşa cum se află la ieşirea circuitului S/H) într-un număr binar pe care sistemul de calcul îl poate citi şi prelucra. Conversia semnalului eşantionat, caracterizat de valori ale amplitudinii infinit precise, în număr binar se numeşte cuantificare. În timpul cuantificării, CAN-ul foloseşte un număr finit de valori pentru reprezentarea semnalului analogic. Numărul de valori este determinat de numărul de biţi utilizaţi pentru conversie (CAN-urile moderne utilizează de regulă 12 – 16 biţi).

3.3.2. Indicatori de performanţă ai CAN Convertoarele analog-numerice sunt dispozitive utilizate la conversia semnalelor din

formă analogică în formă numerică, în scopul prelucrării ulterioare prin mijloace numerice. Semnalele analogice de intrare în CAN sunt în mod obişnuit tensiuni continue în gama 0 – 10 V sau -10 – +10 V. Semnalele de ieşire din CAN sunt cuvinte care au de regulă un număr de biţi între 6 şi 22.

Circuit S/H

CAN

Multiplexor Canale de intrare

C

CEBI BO

TNcomandă

41

Cele mai des utilizate tipuri de CAN funcţionează pe baza principiului compensării automate. Tensiunii de la intrare i se asociază o valoare numerică, care este după aceea convertită din nou în formă analogică. Valoarea numerică este ajustată în mod automat, astfel încât să compenseze eroarea dintre tensiunea de intrare în CAN şi corespondentul analogic al mărimii numerice de la ieşire. Există mai multe tipuri de CAN, în funcţie de modul de generare a valorii numerice. Printre tipurile mai des folosite se numără: CAN cu comparare multiplă, cu aproximări succesive, cu integrare (cu pantă simplă sau cu pantă dublă), cu conversie intermediară în frecvenţă, CAN cu filtrare digitală etc.

Principalele performanţe ale CAN sunt liniaritatea, precizia, rezoluţia, timpul şi rata de conversie, domeniul (gama) tensiunii de intrare.

Conversia analog-numerică constă în convertirea unui semnal de intrare continuu într-o fracţie y prin compararea cu un semnal de referinţă. Mărimea de ieşire numerică din CAN este o reprezentare codificată a acestei fracţii y. Dacă ieşirea CAN este pe n biţi, atunci numărul nivelelor de valori discrete de ieşire este de 2n. Prin urmare, pentru a respecta o corespondenţă, domeniul analogic de intrare trebuie cuantificat în acelaşi număr de nivele. Fiecare astfel de nivel sau cuantă este o valoare analogică pentru care două coduri adiacente de ieşire diferă, şi mai este numită dimensiune a bitului LSB:

nDLSB 2/=

În relaţia de mai sus notaţia LSB este uşor improprie şi reprezintă valoarea analogică a

celui mai puţin semnificativ bit, iar D este domeniul mărimii de intrare (full scale). Toate valorile analogice de intrare din interiorul unui nivel de dimensiune nD 2/ sunt reprezentate de acelaşi cod numeric de ieşire. Deoarece semnalul de intrare poate să difere de valoarea medie a unui astfel de subinterval analogic cu cel mult 2/LSB± şi să fie totuşi reprezentat de acelaşi cod de ieşire, rezultă că există o incertitudine sau eroare de cuantificare de

2/LSB± în orice CAN. Efectul acestei erori poate fi redus doar prin creşterea numărului de biţi ai ieşirii CAN.

Aspectele prezentate mai sus pot fi analizate cu ajutorul caracteristicii statice ideale a unui CAN pe 3 biţi dată în Fig. 3.9. În acest caz, dimensiunea unui nivel de cuantificare din mărimea de intrare este de 8/2/ 3 DD = şi prin urmare domeniul de intrare este împărţit în 8 subintervale distincte de la 0 la D⋅)8/7( . Trebuie observat faptul că ieşirea maximă, adică numărul binar 111, corespunde nu domeniului maxim de intrare ci lui D⋅)8/7( (a se vedea paragraful de descriere a codurilor binare).

Fig. 3.9. Caracteristica statică a unui CAN pe trei biţi

Mărimea analogică de intrare

Mărimea numerică de ieşireCod

000 001 010 011 100 101 110 111

y

0 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8

0 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8Nivele cuantificate (fracţie x D)

42

CAN-urile au caracteristici statice reale, care diferă de caracteristica ideală prezentată anterior. Pe aceste caracteristici reale pot fi evidenţiate tipurile de erori care pot apare la un CAN. Una dintre erori este eroarea de offset (sau eroarea de zero) (Fig. 3.10) care poate fi definită ca valoarea analogică egală cu intervalul de la origine la intersecţia caracteristicii reale cu abscisa. O altă eroare este eroarea de câştig sau de pantă (Fig. 3.11) care apare datorită unei abateri de pantă a caracteristicii. Aceste două erori sunt în general mici şi pot fi eliminate prin tehnici de ajustare. Ceva mai dificil de eliminat sunt erorile de liniaritate. Erorile de liniaritate pot fi de două tipuri: eroare totală de liniaritate (deviaţia maximă a caracteristicii reale de la caracteristica ideală, atunci când erorile de offset şi de câştig sunt nule) - Fig. 3.12, sau eroare diferenţială (deviaţia unui nivel de la valoarea analogică ideală) – Fig. 3.13. În cazul în care o neliniaritate de tip diferenţial este mai mare de 1 LSB, atunci ieşirea are coduri lipsă. Fig. 3.10. Fig. 3.11. Fig. 3.12. Fig. 3.13.

În afara erorilor de conversie, un alt indicator important al performanţelor CAN este rezoluţia. Rezoluţia poate fi definită ca cea mai mică schimbare a intrării analogice care determină schimbarea codului de ieşire al CAN cu un nivel. Rezoluţia este definită de regulă pe caracteristica ideală şi prin urmare defineşte mai degrabă posibilităţile CAN decât performanţa reală. Rezoluţia se poate defini procentual, în milivolţi pentru un domeniu de intrare dat sau pur şi simplu ca numărul de biţi ai CAN. De exemplu, dacă avem un CAN pe 12 biţi, rezoluţia acestuia se spune că este de 12 biţi, iar rezoluţia procentuală

%0244.01002112% =⋅=r . Dacă avem un domeniu de intrare de 10 V, se poate defini

rezoluţia în milivolţi mVrmV 44.22/10 12 == , aceasta fiind de fapt tensiunea minimă de intrare ce poate fi reprezentată (a se vedea şi paragraful de coduri binare). Un alt indicator de performanţă al CAN este precizia. Trebuie să remarcăm aici că în specificaţiile tehnice şi în literatura de specialitate în limba engleză se utilizează uneori termenul de precision pentru rezoluţie şi termenul accuracy pentru precizie. Precizia se defineşte ca fiind diferenţa dintre tensiunea de intrare reală şi echivalentul analogic al codului

D

x = ui

y

0 D

x = ui

y

0

D

x = ui

y

0 D

x = ui

y

0

cod lipsă

43

binar de ieşire din CAN. Atunci când este exprimată în volţi se numeşte precizie absolută, dar de multe ori se exprimă relativ la semnalul analogic, se exprimă în LSB şi se numeşte precizie relativă. Precizia este dată de suma maximă a tuturor erorilor de conversie, inclusiv a erorii (incertitudinii) de cuantificare. Pentru regimul dinamic al CAN se defineşte timpul de conversie ct ca fiind intervalul de timp dintre startarea operaţiei de conversie şi momentul în care convertorul furnizează mărimea de ieşire finală. Inversa timpului de conversie este rata de conversie care se măsoară în conversii/secundă. Utilizarea circuitelor de tip Sample/Hold între intrarea analogică şi CAN conduce la apariţia unui timp de întârziere suplimentar numit timp de deschidere (aperture time), de care trebuie să se ţină seama în aprecierea performanţelor. 3.3.3. Intrări şi ieşiri ale CAN Pentru analiza tipurilor de semnale de intrare şi de ieşire ale unui CAN se poate observa Fig. 3.14, care prezintă intrările şi ieşirile unui CAN monolitic tipic. Semnalul de intrare analogic. Majoritatea CAN sunt proiectate pentru semnale de intrare de tip diferenţial sau de tip single-ended (asimetrice) unipolare. Cele mai des întâlnite domenii sunt între 0 – 10 V şi 0 – 5 V. Dacă semnalul de intrare real nu acoperă întregul domeniu de intrare, o parte din codurile de ieşire ale CAN nu sunt folosite. Problema se poate corecta prin alegerea CAN-ului cu domeniul potrivit şi prin scalarea semnalului de intrare utilizând amplificatoare operaţionale. Dacă semnalul analogic este bipolar, se poate utiliza tot un CAN unipolar, dar se scalează mai întâi semnalul de intrare prin adăugarea unui offset. În cazul în care se doreşte o ieşire bipolară (în cod binar bipolar) se utilizează CAN bipolare. Semnalul de referinţă analogic. CAN-urile necesită un semnal de referinţă analogic pentru convertirea semnalului analogic de intrare într-o fracţie. Orice eroare în semnalul de referinţă determină o eroare de câştig a caracteristicii statice a CAN.

Fig. 3.14. Intrări şi ieşiri tipice ale CAN

Prin urmare este necesar un semnal de referinţă Uref stabil şi precis. Sursele de semnal de referinţă sunt de regulă cuplate cu un buffer (situat uneori chiar pe cipul monolitic). Semnalul de ieşire. Ieşirea numerică a unui CAN este dată de numărul de biţi (deci de rezoluţie) şi de tipul de codificare utilizată. Cele mai obişnuite CAN sunt cele cu 8 şi cu 12 biţi. Codul folosit la ieşirea CAN unipolare este de obicei de tip binar natural, sau de tip zecimal codificat binar în cazul unor aparate de măsurat numerice. Semnalele de control. Toate CAN au nevoie de un ceas şi de semnale de control corespunzătoare. Modul de acţiune al semnalelor de control poate fi observat prin analiza unui ciclu de conversie al CAN, prezentat în Fig. 3.15.

ui

CAN

Uref

START CLOCK

_____ BUSY/EOC

High byte

Low byte

HBE LBE

44

Fig. 3.15. Forme tipice ale semnalelor de control Dispozitivul extern cu care este interfaţat CAN (microprocesorul) iniţiază conversia

printr-un semnal START, după care CAN comută pe nivel jos linia BUSY sau EOC (End of Conversion) ceea ce înseamnă că procesul de conversie este în desfăşurare. La sfârşitul unei conversii curente, CAN comută EOC pe nivel înalt, tranziţie care generează o întrerupere în microprocesor pentru a semnala sfârşitul conversiei. Microprocesorul (dispozitivul extern) trimite un Output Enable (OE) către CAN pentru ca acesta să furnizeze cuvântul de ieşire. Pentru CAN de rezoluţie mai mare de 8 biţi, dar cuplate la o magistrală de date de 8 biţi, semnalul de Output Enable constă în două semnale: High Bit Enable HBE şi Low Bit Enable LBE pentru dispunerea cuvântului de ieşire pe magistrala de ieşire de 8 biţi în două transferuri secvenţiale.

3.3.4. Tehnici de conversie şi tipuri de CAN În funcţie de principiul de conversie utilizat, CAN se pot clasifica în: CAN cu

comparaţie (cum ar fi CAN cu aproximări succesive, CAN de tip paralel sau Flash), CAN cu integrare (cu pantă simplă, cu pantă dublă, cu integrare şi conversie intermediară în frecvenţă), CAN cu filtrare digitală. În continuare vor fi prezentate principial câteva din aceste tipuri de CAN.

CAN cu aproximări succesive. Este unul din cele mai utilizate CAN pentru rezoluţii medii şi mari. Acest CAN se bazează pe aproximarea semnalului de intrare analogic cu un cod binar, convertirea acestui cod binar cu un CNA într-un semnal analogic care este comparat cu semnalul de intrare şi apoi revizuirea succesivă a aproximării pentru fiecare bit din cod până când se obţine cea mai bună aproximare. La fiecare pas din acest proces, valoarea binară curentă a aproximării este stocată într-un registru numit registru de aproximări succesive RAS. Fig. 3.16 prezintă structura bloc a unui CAN cu aproximări succesive pe trei biţi.

Fig. 3.16. Structura unui CAN cu aproximări succesive

În Fig. 3.16, BC este un bloc de comandă, care controlează conversia şi mărimea de intrare în CNA. Schema de conversie se bazează pe principiul de înjumătăţire a intervalului şi poate fi prin adăugare sau scădere.

Ciclu conversie

tc

_____ BUSY/EOC

START

(OE) HBE

LBE

RAS

BCSTART

CLOCK

EOC

CNA Uref

Ieşire numerică

ui Ieşire numerică

serială

uc

Comparator

45

Un ciclu de conversie începe de la valoarea 000 a mărimii de intrare în CNA, apoi bitul MSB este făcut 1. Urmează un algoritm de testare care va verifica efectul modificării câte unui bit. Prin urmare, la primul pas convertorul numeric-analogic va converti valoarea 100 (care corespunde unei estimări iniţiale de jumătate din domeniul de intrare) într-o tensiune uc care este comparată cu tensiunea de intrare. În funcţie de rezultatul comparaţiei, bitul MSB este lăsat 1 sau este făcut 0. La pasul al doilea (la următorul tact sau perioadă de ceas), al doilea bit este făcut 1, urmează conversia în uc şi compararea cu tensiunea de intrare. Se decide dacă cel de-al doilea bit este 1 sau 0 şi urmează al treilea pas. În cazul exemplului nostru este vorba de LSB care este făcut 1, se realizează conversia şi comparaţia şi se stabileşte valoarea finală a LSB şi prin urmare a codului de ieşire care va aproxima cel mai bine semnalul de intrare. Schema logică a acestui algoritm (cu adăugare) cu toate opţiunile posibile este prezentată în Fig. 3.17.

Fig. 3.17. Schema logică a algoritmului de testare Deoarece deciziile pentru fiecare bit sunt luate serial, poate fi furnizată o ieşire numerică serială la ieşirea din comparator. Ca performanţe, aceste CAN au timpul de conversie independent de mărimea de intrare (este o sumă dintre timpul de iniţializare şi testbitTn −⋅ ) şi este de ordinul 100 nsec – 5 µsec pentru CAN pe 8 biţi şi mai mare pentru CAN pe mai mulţi biţi. Rezoluţia este de 6 – 16 biţi. CAN cu integrare cu pantă dublă. Tehnica utilizată în cadrul acestor CAN este ilustrată de schema bloc din Fig. 3.18 şi de diagrama temporală din Fig. 3.19. Tensiunea de intrare este integrată pe un interval fix de timp T1 care în general corespunde numărului maxim furnizat de numărătorul din cadrul CAN. La sfârşitul acestui interval, numărătorul este resetat şi intrarea integratorului este comutată pe tensiunea de referinţă negativă. Ieşirea integratorului va descreşte liniar până la zero, moment în care numărătorul este oprit şi integratorul este resetat. Sarcina de pe condensatorul integratorului acumulată în primul interval T1 trebuie să fie egală cu pierderea de sarcină din al doilea interval T2 şi prin urmare vom avea:

yU

uTT

UTuTref

mediuirefmediui ==⇒⋅=⋅ )(

1

22)(1

Fracţia y este raportul celor două intervale de timp şi este de asemenea ieşirea binară a numărătorului în raport cu numărul maxim furnizat de acest numărător. Prin urmare numărul

000 100

110

010

111

101

011

001

111

110101

100011

010001

000

46

(ieşirea numărătorului) de la sfârşitul celui de-al doilea interval T2 este chiar cuvântul binar de ieşire din CAN. Schema prezentată poate fi adaptată la diferite codificări binare. Tehnica de tip pantă dublă oferă mai multe avantaje, cum ar fi rejecţia foarte bună a zgomotelor şi faptul că variaţiile în frecvenţa ceasului nu afectează rezoluţia, care este determinată doar de performanţele componentelor analogice utilizate şi nu de neliniarităţile diferenţiale ale convertorului. Se poate obţine uşor o rezoluţie bună ajustând dimensiunea numărătorului şi frecvenţa de ceas. Aceste tipuri de CAN au o rezoluţie foarte bună (12 - 18 biţi). Dezavantajul principal este viteza redusă (timp de conversie mare). Se utilizează în aplicaţii cum ar fi multimetre numerice, la măsurarea temperaturii etc.

Fig. 3.18. Structura unui CAN cu pantă dublă

Fig. 3.19. Diagrama temporală CAN de tip paralel (Flash). Conversia de tip paralel sau Flash este cea mai rapidă tehnică de conversie. Din analiza caracteristicii statice a unui CAN se poate observa că mărimea de ieşire poate fi determinată dacă se prelucrează ieşirile unor comparatoare care compară poziţia mărimii de intrare faţă de valorile de frontieră ale subintervalelor în care este împărţit domeniul de intrare. Sunt necesare 2n – 1 comparatoare, ceea ce limitează rezoluţia acestor CAN. Schema de principiu este prezentată în Fig. 3.20. Semnalul de intrare este comparat simultan cu toate valorile medii ale subintervalelor în care este împărţit domeniul de intrare,

BC

Numărător

ui

-1 Uref

CLOCK

CR

Reset

Ieşire binară

Timp T1 T2

Tensiune

47

prin utilizarea unor comparatoare deplasate ca domeniu unul de altul cu 1 LSB (dimensiunea analogică a subintervalului). Această deplasare dintre comparatoare este realizată prin intermediul unei tensiuni de referinţă şi a unei reţele de rezistenţe de precizie. Toate ieşirile comparatoarelor peste semnalul de intrare vor fi făcute off, iar cele sub semnalul de intrare on. Deoarece toate comparatoarele îşi schimbă starea simultan, procesul de conversie este realizat într-un singur pas. Un codificator converteşte ieşirea comparatoarelor într-o descriere binară pe n biţi. Viteza acestor CAN este foarte mare, timpul de conversie ajungând la ordinul sutimilor de microsecundă. Dezavantajul este legat de rezoluţie care este de maxim 10 biţi. Aplicaţiile acestor CAN sunt în domeniul video, radar, osciloscoape numerice.

Fig. 3.20. Schema principială a unui CAN paralel Selectarea unui CAN Pentru a selecta un CAN conform aplicaţiei date trebuie cunoscute mai întâi performanţele care se cer, cum ar fi rezoluţia, timpul de conversie, erori permise etc. Acestea sunt determinate de specificaţiile de proiectare ale sistemului respectiv, cum ar fi:

- numărul canalelor analogice - rata minimă de conversie - localizarea traductoarelor - precizia de conversie - condiţiile de interfaţă (serie/paralel) şi protocoale - mediul de lucru (interesează zgomotele electrice şi domeniul de temperatură al

mediului) - preţul sistemului

CODIF.

2n – 1 comparatoare

Ieşire

R/2

3R/2

R

R

R

Uref ui

48

CAP. 4. PLĂCI DE EXTENSIE. MAGISTRALE ŞI PORTURI 4.1. PLĂCI DE EXTENSIE Comunicarea dintre sistemele de calcul şi mediul extern este asigurată prin cuplarea la

magistrala PC – ului a aşa-numitelor plăci de extensie sau plăci utilizator. Aceste plăci de extensie sunt realizate pentru a asigura o mare diversitate de funcţii. În categoria plăcilor de extensie pot fi incluse:

- plăci de achiziţie de date de uz general; - plăci de intrare-ieşire numerice (compatibile TTL, cu optocuploare etc.); - plăci de ieşiri numerice echipate cu relee pentru comanda unor elemente de execuţie; - plăci pentru extensie de memorie; - plăci de interfaţă IEEE 488 (GPIB); - plăci de reţea; - plăci modem; - plăci pentru comunicaţia serială (RS-232, RS-485 etc.); - plăci de achiziţie şi conducere (intrare-ieşire) multifuncţionale; - plăci pentru interfaţarea unor senzori (de exemplu termocupluri); - plăci de măsurare specializate (multimetre, frecvenţmetre etc.). Pentru conectarea unei plăci de extensie, fiecare PC este prevăzut pe placa de bază cu un

număr de conectoare pentru extensii. În aprecierea expandabilităţii unui PC, trebuie avute în vedere, pe lângă numărul de conectoare, dimensiunile fizice admisibile ale plăcilor de extensie şi puterea disponibilă de la sursa de alimentare a PC-ului.

Plăcile de extensie sunt conectate prin intermediul magistralei de extensie la placa de bază a calculatorului. În funcţie de evoluţia tehnologică a echipamentelor, întâlnim mai multe tipuri de plăci de bază, de magistrale şi de plăci de extensie. Pentru a înţelege şi utiliza mai bine plăcile de extensie, vom face o scurtă prezentare a plăcilor de bază.

4.1.1.Tipuri de plăci de bază Modul de proiectare al PC-urilor moderne este un compromis între două filozofii de

proiectare opuse: prima abordare este cea a calculatoarelor orientate pe magistrală (abordare caracterizată de diversitate, adaptabilitate, posibilităţi de extindere) – obţinute prin montarea elementelor funcţionale individuale pe plăci separate, iar cea de-a doua abordare este cea a calculatoarelor pe o singură placă (abordare caracterizată de simplitate şi economie) – obţinute prin montarea tuturor componentelor esenţiale ale calculatorului pe o singură placă.

Placa de bază a unui PC include componentele electronice vitale ale acestuia: microprocesorul, memoria şi de multe ori circuitele care asigură funcţiile video şi audio. Componentele care se doresc a fi adăugate la calculator se conectează la magistrala de extensie, care este o parte a plăcii de bază. Fiind o componentă fundamentală, placa de bază defineşte PC-ul şi caracteristicile acestuia.

Ca terminologie, în afara denumirii consacrate de placă de bază se mai întâlnesc denumirile de placă de sistem (system board), placă principală (main board) sau placă mamă (motherboard).

Pe lângă faptul că reprezintă suportul fizic pentru circuitele esenţiale ale PC-ului, placa de bază trebuie să permită şi o formă oarecare de extindere. Prin urmare, placa de bază (la PC-urile desktop) conţine conectoare electrice speciale, numite conectoare de extensie, care permit conectarea plăcilor de extensie. Spaţiul ocupat de o placă de extensie se numeşte slot de extensie sau simplu slot. Proiectarea spaţiilor de extensie pe placa de bază se face conform unor reguli susţinute de standarde.

Principala caracterizare a plăcilor de bază se face după standardul pe care îl respectă pentru caracteristicile fizice şi electrice ale conectorilor şi sloturilor de extensie. Standardele de extensie (de magistrală) au trecut printr-o evoluţie lungă. În prezent, piaţa este dominată de standardul PCI (Peripheral Component Interconnect), şi singura opţiune care rămâne este de a vedea dacă placa de

49

bază acceptă şi plăci de extensie mai vechi care respectă standardele ISA (Industry Standard Architecture) sau EISA (Enhanced Industry Standard Architecture).

Numărul sloturilor de extensie este un compromis între necesitatea de a avea cât mai multe sloturi pentru posibile extinderi şi restricţiile legate de spaţiu şi de numărul de circuite de control care cresc preţul PC. Spaţiul dintre sloturi a rămas neschimbat încă din anul 1982, distanţa dintre centrele conectoarele de extensie fiind stabilit la 0.8 inci (2.03 cm).

Evoluţia plăcilor de bază Prima placă de bază pentru PC-uri a fost cea folosită de modelul original Personal Computer

lansat de IBM. Aceste plăci aveau dimensiunile de 8.5 x 11 inci (21.6 x 28 cm) şi aveau 5 sloturi de extensie în colţul din stânga spate, montate la intervale de un inci între ele. Al doilea model creat de IBM în 1982 a stabilit standardul actual de 0.8 inci între sloturi, iar placa de bază avea dimensiunile 8.5 x 12 inci (21.6 x 30.5 cm). Această placă, denumită XT, a devenit un standard pentru industria calculatoarelor personale (Fig. 4.1).

Fig. 4.1. Dimensiunile plăcii de bază XT

Deoarece producătorii doreau dezvoltarea unor PC-uri din ce în ce mai puternice,

dezavantajul plăcii XT a constat la acel moment în dimensiunile prea mici ale sale, şi prin urmare IBM a dezvoltat placa de bază AT cu dimensiunile de 13.5 x 12 inci (Fig. 4.2). Această placă a devenit de asemenea un standard de facto la sfârşitul anilor ‘80 şi începutul anilor ‘90.

Prin integrarea la scară din ce în ce mai mare a circuitelor, numărul şi dimensiunea cipurilor de pe placa de bază au fost reduse pe măsura trecerii timpului. Din aceste motive, producătorii au fost stimulaţi să reducă şi dimensiunile plăcilor de bază, deoarece acest lucru permitea reducerea costurilor. Deoarece poziţiile găurilor de prindere şi intervalele dintre sloturi de la plăcile AT au devenit standarde, inginerii au creat modele mai mici care păstrează aceste caracteristici. Plăcile mai mici compatibile cu modelul AT se numesc mini-AT (8.66 x 13 inci).

Pentru a aduce o oarecare uniformitate în proiectarea plăcilor de bază, industria calculatoarelor personale a creat un nou standard, care păstrează în mare parte dimensiunile plăcii mini-AT, dar aduce inovaţii de proiectare care determină şi costuri mai mici. Acest nou standard, numit ATX, a fost promulgat de Intel în 1996 (Fig. 4.3). Dimensiunile unei plăci ATX sunt de 9.6 x 12 inci (24.4 x 30.5 cm). Deşi standardul nu impune configuraţia şi tipul sloturilor de extensie, au fost vizate modelele ISA, PCI şi combinaţiile ISA/PCI. Placa permite folosirea tensiunilor de alimentare de 5.0 V sau 3.3 V (câte o sursă sau ambele simultan).

50

Fig. 4.2. Placa de bază AT

Fig. 4.3. Placa de bază ATX

Din considerente similare cu cele care au condus la apariţia plăcii mini-AT, a fost creat

modelul mini-ATX (8.2 x 11.2 inci). În afara acestor modele de bază (XT, AT, ATX) au fost dezvoltate şi alte tipuri de plăci,

cum ar fi modelele LPX, mini-LPX, NLX pentru PC-uri cu profil redus, WTX pentru staţiile de lucru etc.

4.1.2. Tipuri de plăci de extensie Deşi teoretic o placă de bază ar putea conţine toate circuitele necesare pentru construirea

unui PC, posibilitatea de adăugare a unor elemente sau de îmbunătăţire a plăcii de bază extinde conceptul de PC. Capacitatea de extindere transformă PC-ul într-un instrument cu posibilităţi aproape nelimitate.

Plăcile cu circuite imprimate care se inserează în placa de bază sunt adeseori numite plăci de extensie. Plăcile de extensie sunt diferenţiate prin standardul pe care îl respectă interfaţa lor sau prin tipul conectorului. De exemplu, o placă de extensie ISA respectă standardul de magistrală Industry Standard Architecture, iar o placă PCI respectă standardul Peripheral Component Interconnect.

Alte denumiri întâlnite pentru plăcile de extensie sunt: plăci utilizator, plăci de opţiuni, plăci fiică etc.

51

Din punct de vedere fizic, placa de extensie este o placă imprimată realizată în tehnologie de montare pe suprafaţă sau în tehnologii combinate. Un conector de extensie conectează placa de extensie la placa de bază, iar o bridă de prindere fixează placa în interiorul calculatorului şi furnizează spaţiu pentru conectoarele periferice.

Standardizarea este esenţială pentru extinderea PC-urilor. Sloturile, conectoarele, montarea, semnalele şi interfaţa logică sunt strict definite. Plăcile de extensie trebuie să fie compatibile din punct de vedere fizic, electric şi logic cu plăcile de bază pe care sunt instalate. În primul rând, o placă de extensie trebuie să încapă în calculator, ceea ce înseamnă că standardele dictează dimensiunea fizică a plăcilor de extensie. Deoarece între placa de extensie şi cea de bază există legături electrice, standardizarea se extinde şi asupra conectoarelor electrice, care trebuie să corespundă ca tip, dimensiuni şi poziţie.

Prototipul plăcilor de extensie a fost placa proiectată pentru PC-ul IBM original din 1981. Chiar şi cele mai noi calculatoare mai păstrează cel puţin un slot pentru montarea unor astfel de modele vechi, care se mai numesc şi plăci moştenite şi care respectă standardul ISA.

Plăcile moştenite sunt plăci care respectă standardul Industry Standard Architecture – ISA. Dimensiunile critice sunt pentru plăcile ISA lungimea maximă a plăcii, înălţimea şi poziţia conectorului. Plăcile ISA actuale sunt limitate la o lungime maximă de 13.415 inci. Datorită miniaturizării componentelor, sunt întâlnite des aşa-numitele plăci scurte, care au lungimea mai mică (placa de extensie nu ajunge la ghidaje).

Din punct de vedere al înălţimii, se întâlnesc plăci ISA de înălţime XT (4.2 inci) (Fig. 4.4) şi plăci ISA de înălţime AT (4.8 inci) (Fig. 4.5). Standardul EISA acceptă aceste dimensiuni pentru înălţimea maximă a plăcilor de extensie.

Fig. 4.4. Dimensiunile plăcilor de extensie ISA de înălţime XT

Fig. 4.5. Dimensiunile plăcilor de extensie ISA de înălţime AT

Înălţimea plăcii este importantă, deoarece carcasele proiectate pentru plăci XT nu acceptă

plăci de înălţime AT. Cele mai multe calculatoare moderne bazate pe magistrale PCI nu sunt destul de înalte pentru plăci de înălţime AT. Prin urmare, prezenţa sloturilor ISA nu garantează posibilitatea de instalare a oricărei plăci de extensie ISA. Problema compatibilităţii este din ce în ce mai puţin importantă pe măsură ce importanţa plăcilor ISA se diminuează.

Producătorii de calculatoare şi de sisteme numerice de conducere au adaptat modelul electric al plăcilor ISA şi au creat un format mai robust, numit PC/104. Plăcile PC/104 diferă de plăcile ISA obişnuite în principal prin aspecte mecanice (Fig. 4.6).

52

Aceste plăci sunt mai mici şi folosesc un conector diferit. Ca şi plăcile ISA, plăcile PC/104 pot folosi interfeţe pe 8 biţi sau pe 16 biţi. Plăcile cu magistrală de lăţime mai mare au un conector auxiliar pentru semnalele suplimentare. Plăcile PC/104 au un conector pentru magistrala de 8 biţi pe 64 de pini şi un conector pentru magistrala de 16 biţi pe 40 de pini (în total 104 pini).

În loc să se conecteze la o magistrală, plăcile PC/104 formează o magistrală proprie, prin suprapunerea conectoarelor. Fiecare placă are atât conectoare mamă cât şi conectoare tată, astfel încât o placă se poate monta deasupra alteia şi furnizează un nou conector pentru instalarea următoarei plăci.

Fig. 4.6. Dimensiunile plăcii de extensie PC/104

Plăci PCI. Standardul PCI defineşte mai multe variante ale plăcii de extensie. Specificaţiile

definesc două seturi de dimensiuni, fiecare cu câte trei moduri de aranjare a conectoarelor (pentru 5 volţi, pentru 3.3 volţi şi pentru ambele tensiuni).

O placă PCI de dimensiuni standard măsoară 12.283 x 4.2 inci. În Fig. 4.7 este prezentată o placă PCI standard pentru operare la 5 volţi (cea cu operare la 3.3 volţi diferă nu prin dimensiuni ci prin numărul şi poziţia contactelor). Standardul PCI defineşte şi o placă de extensie scurtă (dimensiuni 6.875 x 4.2 inci).

Implementarea pe 64 de biţi a plăcilor PCI a extins conectorul de margine pentru includerea semnalelor suplimentare. În Fig. 4.8 este prezentat conectorul extins care implementează toate opţiunile (ambele tensiuni de 5 şi 3.3 volţi).

O derivaţie a standardului PCI este reprezentată de plăcile CompactPCI, realizate pe baza standardului Eurocard. Plăcile CompactPCI sunt de dimensiuni mai mici şi sunt robuste.

Pentru sistemele de calcul de tip notebook au fost dezvoltate plăci de tip PCCard. Aceste plăci au forma unor cartele de 54 x 85 mm şi 5 mm grosime. Plăcile PCCard respectă standardul PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association).

Fig. 4.7. Dimensiunile plăcii de extensie de tip PCI cu operare la 5 volţi

53

Fig. 4.8. Conectorul de margine PCI universal pe 64 de biţi

4.2. MAGISTRALE DE EXTENSIE Magistrala de extensie a unui calculator permite dezvoltarea sistemului, asigurând conexiuni

de mare viteză pentru dispozitivele periferice interne. Magistralele standardizate au condus la dezvoltarea unei întregi industrii care produce plăci de extensie interschimbabile.

Magistralele (sau bus-uri) sunt de fapt căi de transfer pentru date şi comenzi. Noţiunea de magistrală defineşte nu numai traseul fizic respectiv, ci şi regulile care guvernează transmisia de date şi comenzi între componentele sistemului, precum şi modul de interconectare a perifericelor cu microprocesorul de pe placa de bază.

Magistralele sunt reprezentate fizic prin trasee de cupru cablate pe placa de bază sau pe plăcile utilizator, în interiorul microprocesorului prin trasee microscopice, iar între plăci prin cabluri panglică sau cabluri multifilare ecranate. Traseul unei magistrale este greu de identificat datorită multitudinii de trasee şi de componente de pe o placă, partea vizibilă fiind reprezentată de sloturi.

Magistralele pot fi clasificate în magistrale de date şi de instrucţiuni şi în magistrale de comenzi (de control).

Atunci când ne referim la semnalul transportat trebuie precizată lăţimea magistralei, care se exprimă în număr de biţi şi reprezintă numărul de linii (de căi) care compun magistrala, fiind egală cu numărul de biţi ce pot fi transmişi simultan prin magistrală. Magistralele, în funcţie de tipul lor, pot avea lăţimi de 8, 16, 32 sau 64 de biţi, sau chiar mai mult pentru sisteme deosebit de performante.

Magistralele lucrează la o anumită frecvenţă de tact dată de controllerele de magistrală. Frecvenţa de tact este obţinută prin divizarea sau multiplicarea frecvenţei dată de un circuit de ceas. Frecvenţele de lucru ale microprocesorului, magistralelor şi memoriei trebuie sincronizate. Cu cât frecvenţa este mai mare cu atât va creşte viteza de transfer a magistralei. Aceste frecvenţe au valori, în funcţie de standardul de magistrală între 5 şi 133 MHz. Prima magistrală IBM se numea PC bus sau XT bus şi lucra pe 8 biţi la o frecvenţă de 4.77 MHz. Creşterea peste anumite limite a frecvenţei de tact întâmpină dificultăţi datorită unor eventuale incompatibilităţi cu plăci de extensie care nu permit viteze mari de recepţie.

O perioadă din istoria dezvoltării calculatoarelor, problemele legate de magistrale (lăţime, viteză) au fost neglijate, până când s-a observat faptul că utilizarea unui microprocesor performant este limitată dacă nu se folosesc şi magistrale corespunzătoare. Acesta este motivul care a condus la renunţarea standardelor vechi de tip ISA, EISA în favoarea magistralelor PCI, care dispun nu numai de lăţime şi viteză mai mari dar şi de o altă arhitectură.

Magistralele unui sistem de calcul pot fi clasificate astfel: - Magistrala microprocesorului: stabileşte căile şi protocolurile de comunicaţie între

microprocesor şi memoria cache internă (magistrală care face parte din microprocesor) precum şi între microprocesor şi memoria externă. Frecvenţa de tact este dată de frecvenţa master a plăcii de bază. De exemplu, pentru un Pentium I, magistrala conţine 64 de linii de date şi 32 de linii de adrese.

- Sistemul de magistrală al memoriei: constă în căile de transfer şi protocoalele aferente care sunt folosite pentru transferul dintre microprocesor şi memoria de lucru RAM.

- Sistemul de magistrale de adrese: este sistemul ce transportă informaţii privind adresele de unde se vor citi sau unde se vor scrie date în memoria de lucru.

- Sistemul de magistrale I/O care defineşte calea directă de comunicaţie între microprocesor şi orice periferic/extensie cuplat la sistemul de calcul.

54

Din punct de vedere al cuplării plăcilor de extensie la calculator interesează îndeosebi acest sistem de magistrale I/O la care ne vom referi în continuare.

Din punct de vedere istoric, evoluţia standardelor de magistrală, precum şi performanţele acestora sunt prezentate sintetic în tabelul 4.1. Performanţele magistralelor sunt reprezentate de lăţime, de frecvenţa de ceas precum şi de memoria maximă care poate fi adresată, memorie care depinde de numărul de linii de adresă ale magistralei.

Tabelul 4.1. Standarde pentru magistralele de extensie Standard Explicaţii Data Lăţimea

magistralei Frecvenţa de ceas

Adresare

PC Bus (XT Bus)

Magistrala folosită de calculatorul IBM PC

1981 8 biţi 4.77 MHz 1 MB

ISA Industry Standard Architecture, cunoscută şi sub numele de magistrala clasică sau AT Bus

1984 16 biţi 8 MHz 16 MB

MCA Micro Channel Architecture, modelul prin care IBM a îmbunătăţit magistrala ISA, dar care nu a pătruns decât în mică măsură pe piaţă

1987 32 biţi 10 MHz 16 MB/ 4 GB

EISA Enhanced ISA, o formă a magistralei ISA, mai rapidă şi cu lăţime mai mare, care a fost înlocuită de PCI

1988 32 biţi 8 MHz 4 GB

VL Bus VESA (Video Electronics Standards Association) Local Bus, o extensie a magistralei ISA proiectată în special pentru sistemele video

1992 32/64 biţi 50 MHz 4 GB

PCI Peripheral Component Interconnect, principala magistrală de extensie în PC-urile actuale

1992 32/64 biţi 33 MHz/ 66 MHz

4 GB

PC Card Extensie de tip cartelă, standard ISA, folosită la notebook-uri mai vechi

1990 16 biţi 8 MHz 64 MB

CardBus Extensie de tip cartelă, standard PCI, folosită la notebook-urile actuale

1994 32 biţi 33 MHz 4 GB

Deoarece standardele ISA/EISA şi PCI sunt cele mai folosite standarde de magistrală, în

continuare vor fi prezentate pe scurt aceste standarde. 4.2.1. Standardul ISA/EISA Apariţia standardului ISA a fost determinată de trecerea la microprocesoarele pe 16 biţi,

prima arhitectură de magistrală pe 16 biţi fiind ISA sau AT Bus. Iniţial, magistrala ISA lucra pe 8 biţi, ulterior fiind mărită lăţimea magistralei la 16 biţi. S-a păstrat compatibilitatea cu magistrala PC Bus, o placă pe 8 biţi (XT) putând fi cuplată fără probleme. Sloturile ISA sunt formate din două părţi, una lungă cu 62 de pini pentru plăcile XT şi una scurtă cu 36 de pini pentru extensia la 16 biţi.

Magistrala EISA reprezintă o reproiectare a standardului ISA, prin care s-a trecut la lăţimea de 32 de biţi. Acest standard este compatibil cu standardele ISA şi PC Bus.

Controlul magistralelor de tip ISA sau EISA este realizat prin intermediul unui controller de magistrală pe 16/32 de biţi. Deoarece arhitectura ISA/EISA este asemănătoare, în Fig. 4.9 este prezentată această arhitectură la nivelul schemei bloc.

Se observă modul în care magistrala de extensie I/O asigură transferul între microprocesor/ RAM şi periferice, transfer realizat sub supravegherea controllerului de magistrală. Controllerul IDE (Integrated Device Electronics) este un controller al mediilor de stocare (standard de harddisc),

55

iar controllerul SCSI (Small Computer System Interface) este tot o interfaţă universală spre medii de stocare a datelor sau periferice.

Liniile magistralei ISA pot fi grupate în mai multe categorii distincte: - linii de adresă - linii de date - linii de comandă a magistralei - linii de alimentare - linii de comandă a ciclurilor - linii de întrerupere - linii pentru controlul accesului direct la memorie (DMA)

Fig. 4.9. Arhitectura magistralelor ISA/EISA Standardul ISA lasă în seama utilizatorului sarcina configurării sistemului. Este necesar ca

utilizatorul să se asigure că fiecare placă de extensie primeşte întreruperile, domeniile de adrese, adresele de porturi şi canalele DMA de care are nevoie. Trebuie verificat dacă cerinţele unei plăci nu intră în conflict cu alte plăci din sistem. Înainte de conectarea plăcii de extensie trebuie verificată poziţia jumperelor şi comutatoarelor DIP (Dual Inline Pin) (unele plăci de extensie utilizează comutatoare DIP care permit selectarea adresei de bază a plăcii). Pentru uşurarea cuplării plăcilor ISA s-a dezvoltat magistrala ISA Plug and Play care transferă această muncă de configurare către sistemul de calcul.

4.2.2. Standardul PCI Nici-unul din standardele de magistrală ISA/EISA, MCA sau VL Bus nu pot asigura

necesarul de cerinţe pentru microprocesoarele actuale de tip Pentium I - IV. Standardul care asigură realizarea unor performanţe corespunzătoare este standardul PCI.

Acest standard este compatibil cu standardele mai vechi, asigurând prin arhitectura sa şi o independenţă de componentele cuplate la magistrală (microprocesoare, controllere, plăci), indiferent de tipul acestora sau de firma care le produce.

Conectarea unei plăci PCI la sistemul de calcul presupune, spre deosebire de majoritatea magistralelor mai vechi, ca utilizatorul să nu intervină la setarea hard, deoarece procesorul de pe aceste plăci, prin regiştrii de configurare va realiza autosetarea optimă, atunci când sunt executate rutine POST (Power On Self Test). Software-ul va rezolva setările de sistem care mai rămân de efectuat.

Micro – procesor Cache Memorie

RAM

Controller ISA/EISA

Placă video

Controller IDE

Controller SCSI

Placă extensie

Placă extensie

Magistrală rapidă de memorie

Magistrală I/O lentă Magistrală ISA16 biţi

Magistrală EISA32 biţi

sau

56

Arhitectura PCI propune o magistrală care poate recunoaşte orice protocol utilizat de standardele anterioare, are o lăţime a magistralei de 32 de biţi şi lucrează la o frecvenţă de 33 MHz. Rata de transfer la această frecvenţă poate ajunge la 132 MB/sec, iar magistralele PCI de 64 de biţi la 264 MB/sec. Standardele actuale au ajuns la o frecvenţă de ceas de 66 MHz ceea ce permite la o lăţime de 64 de biţi o viteză de 528 MB/sec. În Fig. 4.10 este prezentată arhitectura magistralei PCI.

Fig. 4.10. Arhitectura magistralei PCI

În cazul magistralei PCI, datele şi adresele sunt multiplexate în timp, ceea ce înseamnă că aceleaşi linii pot fi utilizate atât pentru date, cât şi pentru adrese. Din acest motiv sunt necesare două tacturi pentru transmisie, unul pentru adresă şi unul pentru date. Arhitectura PCI permite conectarea a zece periferice fără a apare conflicte de acces, acest lucru fiind posibil datorită modului în care perifericele lucrează cu memoria, fără intermediul microprocesorului, totul fiind guvernat de controllerul (controllerele) PCI. Magistrala PCI este total decuplată de magistrala microprocesorului şi se autoguvernează. În cadrul acestui standard, microprocesorul şi perifericele capătă statut de magistrală-master sau magistrală-slave. La un anumit moment, microprocesorul sau orice placă – periferic pot deveni master, o altă placă are rol de slave, şi toate acestea independent de microprocesor. Microprocesorul este decuplat de la PCI (dar nu şi deconectat, existând circuite de tip buffer care intră în alcătuirea PCI Chipset), şi prin urmare se poate ocupa de alte operaţii. Semnalele de bază ale standardului PCI pot fi grupate în următoarele categorii:

- linii de sistem: includ liniile de ceas şi de resetare; - linii de date şi de adrese: includ 32 de linii care sunt multiplexate în timp, precum şi alte

linii utilizate pentru interpretarea şi validarea semnalelor de date/adrese; - linii de control de interfaţă: controlează ciclurile de transfer şi furnizează coordonarea

între surse şi periferice destinaţie (target); - linii de arbitrare: fiecare PCI master are o pereche de linii de arbitrare conectate la

arbitrul PCI de magistrală;

Micro – procesor Cache Memorie

RAM

Controller PCI (PCI Chipset)

Placă video

Controller EIDE

Controller SCSI

Placă extensie

Placă extensie

Magistrală PCI de memorie

Magistrală PCI I/O

Placă extensie

Controller I/O ISA (punte)

Magistrală ISA/EISA

57

- linii de eroare: sunt folosite pentru controlul parităţii şi pentru alte erori; În plus, standardul PCI mai defineşte linii opţionale de semnal grupate în următoarele

categorii: - linii de întrerupere; - linii suport pentru memoria cache; - linii de extensie pentru magistrala de 64 de biţi; - linii de testare. Datorită caracterului de independenţă faţă de microprocesor, montarea şi configurarea facilă,

de tip Plug and Play, precum şi vitezele mari de lucru, standardul PCI s-a impus la ora actuală pe aproape toată piaţa.

4.3. PORTURI PERIFERICE. INTERFEŢE SERIALE ŞI PARALELE PENTRU TRANSFERUL DATELOR

Echipamentele periferice sunt prevăzute cu unul sau mai multe porturi periferice. Porturile sunt regiştri de 8, 16 sau mai mulţi biţi folosiţi pentru memorarea temporară a informaţiei. Prin intermediul lor se realizează transferul de date dintre microprocesor şi echipamentele periferice. Porturile pot fi de intrare, de ieşire sau bidirecţionale. Multe microprocesoare sunt dotate cu spaţii suprapuse de adrese pentru memorie, respectiv pentru intrare/ieşire. Prin urmare o aceeaşi adresă fizică poate să aparţină fie spaţiului memoriei, fie spaţiului de intrare/ieşire, în funcţie de un semnal de tipul M/ IO furnizat de microprocesor. Spaţiul de intrare/ieşire care poate fi adresat de un microprocesor este mai mic decât spaţiul memoriei, şi deci sunt necesare mai puţine linii de adrese. De exemplu, microprocesorul 8086 poate adresa 1 Moctet de memorie şi doar 64 K porturi de 8 biţi (sau 32 K de porturi de 16 biţi) în spaţiul de I/O. La proiectarea unei plăci utilizator, stabilirea adresei porturilor trebuie să ţină seama de adresele alocate în acest scop de producătorul calculatorului pentru diferitele echipamente. Aceste adrese sunt de regulă listate în cartea tehnică a calculatorului sub forma unei hărţi de I/O. De exemplu, la vechile calculatoare AT, adresele spaţiului I/O sunt cuprinse între 000H şi 3FFH, adică sunt adrese reprezentate pe 10 biţi. Rezultă numai 1024 de adrese dintr-un total adresabil de 64 K. Altfel spus, deşi microprocesorul poate adresa 64 K porturi, calculatoarele AT (şi XT) pot adresa doar 1024 de porturi. Spaţiul de 1024 de porturi este considerat suficient pentru majoritatea aplicaţiilor. Primele 256 de adrese sunt rezervate pentru echipamentele I/O aferente plăcii de bază, iar celelalte 768 sunt disponibile pentru plăcile utilizator. Toate transferurile de informaţii şi date între diverse componente ale sistemului de calcul, care se realizează prin magistrale, se desfăşoară la nivel de bit, octet, cuvânt sau bloc de octeţi. Aceste transferuri de biţi se pot efectua în două feluri: prin transmisie serială sau prin transmisie paralelă. Transmisia paralelă este o transmisie eficientă deoarece se desfăşoară concomitent pentru cei 8 biţi ai unui octet de exemplu, pe 8 căi distincte. Prin urmare, transferul unui grup de octeţi are loc cu o viteză foarte mare, dar are dezavantajul unui cost ridicat datorat interfeţei paralele şi cablului de conectare cu 8 fire (sau mai multe). Transmisia paralelă se utilizează la echipamentele care vehiculează un volum mare de date într-un timp scurt. Porturile paralele sunt folosite în general la comunicaţia unidirecţională (nu în sens strict) şi dispun de regulă de 25 de pini. Un exemplu clasic de utilizare a transmisiei paralele este cel al imprimantelor. Transmisia serială este mai simplă pentru că nu necesită decât o cale de transmisie, un octet transmiţându-se bit cu bit. Costurile sunt mici, dar dezavantajul este legat de viteza de transmisie mică. Porturile seriale sunt folosite la transmisia bidirecţională şi au de regulă 9 pini. O altă clasificare a transmisiilor de date se poate face după modul în care este folosită linia de transmisie: transmisie simplă, care se efectuează pe aceeaşi linie, în ambele sensuri, dar nu în acelaşi timp, respectiv transmisie duplex, în cazul în care componentele care folosesc aceeaşi linie de transmisie pot utiliza simultan linia în ambele sensuri.

58

Deoarece trebuie introdus un mecanism de separare a logică a octeţilor transmişi, la construcţia interfeţelor se foloseşte o altă clasificare a transmisiilor:

- transmisia sincronă, în care octeţii se transmit fără biţi fanion şi fără pauze de transmisie între octeţi;

- transmisia asincronă, la care între octeţii transmişi sunt intercalate pauze sau se folosesc flag-uri de indicare a începutului sau sfârşitului unui octet.

După ce microprocesorul prelucrează datele, acestea pot fi transmise către un dispozitiv periferic într-un anumit format digital, fiind necesară o interfaţă care să adapteze semnalul transmis de către sursă într-un semnal ce poate fi interpretat de dispozitivul periferic destinaţie (target).

Interfeţele standard utilizate pentru transferul sub formă numerică a datelor asigură o adaptare a acestor formate digitale din punct de vedere al frecvenţelor de tact, al nivelelor de semnal etc. În continuare vor fi menţionate câteva din cele mai utilizate standarde de interfaţă.

Interfaţa serială asincronă RS 232 C

Interfaţa serială RS-232-C (Reference Standard 232 Revision C) este una din cele mai uzuale interfeţe seriale, chiar dacă este depăşită din punct de vedere tehnic. Standardele RS-232-C folosite pentru nivelele de semnal 0 şi 1 sunt în afara intervalului –3 Vcc … +3 Vcc: orice tensiune peste +3 Vcc (până la 25 Vcc) este considerată corespunzătoare unui bit 0, iar orice tensiune sub – 3 Vcc (până la -25 Vcc) este corespunzătoare unui bit 1. Viteza de transmisie pentru această interfaţă este de 115 Kbiţi/sec., lungimea cablului de până la 30 metri, numărul de conductoare folosite în cablu este între 3 şi 9 iar numărul de dispozitive pe port este de unul singur. Interfaţa serială RS-232 C este prezentată în detaliu în Anexa 1. Observaţie: În cazul în care este necesară o comunicaţie pe o distanţă mare se utilizează interfaţa serială performantă RS-485 (până la 1200 m). Interfaţa serială asincronă UART Este tot un port serial moştenit. Interfaţa UART (Universal Asynchronous Receive Transmiter) este bazată pe un registru shift (de deplasare) care permite realizarea unei conversii a datelor din format serie/paralel în format invers paralel/serie. Un circuit UART are trei părţi: un modul receptor care primeşte de la periferic un semnal serial şi îl converteşte în paralel, după care îl depune pe magistrala de date, un modul emiţător care primeşte un semnal paralel de la magistrala de date şi îl converteşte într-un semnal serial pentru periferic, iar cel de-al treilea modul este un controller de interfaţă care gestionează activitatea primelor două module. Portul serial USB Viteza de transmisie a portului USB (Universal Serial Bus, 1995) este mult mai mare decât la porturile moştenite: 12 Mbiţi/sec. Numărul de dispozitive care pot fi conectate la un port este de 127, se poate conecta orice fel de dispozitiv, iar mediul de transmisie este un cablu special cu 4 fire. Modelul USB este gândit ca un sistem ierarhic, cu distribuitoare care se pot conecta la alte distribuitoare şi aşa mai departe, astfel că se poate ajunge la maxim 127 de dispozitive conectate la un singur port. Apare o structură arborescentă de conectare. Calculatorul gazdă este de fapt un distribuitor de bază. Circuitul din calculator care controlează distribuitorul de bază şi restul sistemului USB este numit controller de magistrală. Pentru o funcţionare corectă este necesară conectarea corectă a tuturor componentelor, iar software-ul aferent realizează sortările necesare. Programul care implementează protocolul USB este de fapt cea mai complexă componentă a standardului USB. Deşi numărul de dispozitive care pot fi conectate este foarte mare, nu sunt aplicaţii care să necesite mai mult de câteva zeci de conectări. Mai mult, apare şi dezavantajul lungimii unui cablu USB, care nu poate fi mai mare de 5 m (distribuitoarele pot regenera semnalul, aşa că prin trecerea prin distribuitoare sistemul USB se poate întinde pe distanţe mai mari). Interfaţa serială FireWire Avantajul principal al acestei interfeţe moderne (numită şi IEEE 1394) este viteza care poate ajunge la 800 Mbiţi/sec. Numărul de dispozitive care se pot conecta la un port este de 16, iar tipul acestora este în special din categoria dispozitivelor video digitale şi harddiscurilor. Această interfaţă

59

foloseşte (ca şi USB) modul de lucru pe pachete de date. Cu toate că acest mod de lucru impune o creştere substanţială a operaţiilor software, interfaţa oferă o lărgime de bandă suficient de mare, care permite de exemplu transportarea simultană a trei semnale video sau a 167 semnale audio la rata de bază de 100 Mbiţi/sec. IEEE 1394 este un sistem ierarhic realizat din mai multe straturi: un strat de gestionare a magistralei, un strat de tranzacţii, un strat de legătură şi un strat fizic. Interfaţa paralelă PIA Cel mai uzual model de interfaţă paralelă este PIA (Peripheral Interface Adapter). Interfaţa foloseşte doi regiştri: unul pentru date transmise de la periferic către microprocesor şi celălalt pentru transferul în celălalt sens. În plus faţă de cei doi regiştri există şi un registru de stare ai cărui biţi folosiţi ca flag-uri indică microprocesorului starea celor doi regiştri. Toţi aceşti regiştri programabili sunt cuplaţi la magistrala de date a sistemului, prin aceasta fiind adresate direct de către microprocesor. Interfaţa paralelă GPIB (IEEE 488)

Magistrala 488, cunoscută şi sub numele de magistrala Hewlett Packard Instrument Bus sau GPIB (General Purpose Instrument Bus) oferă posibilitatea interconectării calculatorului personal cu un număr foarte mare de echipamente de măsurare şi control. În prezent datorită ariei din ce în ce mai largi de răspândire a echipamentelor cu microprocesoare au fost realizate circuite specializate care au permis reducerea preţului de cost al interfeţelor bazate pe acest tip de protocol.

Acest tip de conexiune permite ca microprocesorul să realizeze atât supervizarea operaţiilor de achiziţie de date, cât şi procesarea datelor achiziţionate.

Printre avantajele datorate acestui tip de conexiune se pot enumera: • Eliminarea operaţiilor manuale repetitive • Calibrarea şi setarea echipamentului este extrem de simplă şi robustă • Viteza de măsurare este extrem de mare • Reducerea erorilor de citire sau de calibrare • Repetabilitate deosebit de bună • Posibilitatea construirii unor funcţii adiţionale de prelucrare a informaţiei

În ciuda complexităţii echipamentului, softul sub care operează acest protocol realizează o interfaţă utilizator deosebit de prietenoasă.

Standardul IEEE 488 dispune de următoarele categorii de structuri: Receptori - Listeners Emiţători - Talkers Receptori/emiţător Controllere Receptorii pot recepţiona datele şi semnalele de control de la alte dispozitive conectate la

magistrală, dar nu sunt capabili să genereze date. Emiţătorii sunt capabili să plaseze date pe magistrală, dar nu pot recepţiona informaţie.

Trebuie remarcat faptul că dacă la un moment dat numai un singur emiţător poate fi activ, pentru a depune pe magistrală datele, în acelaşi timp mai mulţi receptori pot recepţiona şi prelucra datele.

Aceste două funcţii pot fi combinate într-un singur instrument, care poate să transmită şi să recepţioneze date. Un instrument de tip multimetru digital este un exemplu de emiţător/receptor clasic. Prin intermediul magistralei este trimisă informaţia necesară schimbării scalei de măsură sau a tipului de mărime măsurată, iar acesta transmite spre magistrală informaţia digitizată reprezentând tensiunea, curentul sau rezistenţa.

Controllerele sunt dispozitive utilizate pentru a superviza fluxul de date prin magistrală şi a permite procesarea acestora. Controllerul unui sistem IEEE 488 este invariabil un microprocesor.

Semnalele magistralei IEEE 488. Această magistrală dispune de 8 linii bidirecţionale de date. Prin acestea sunt transferate date, adrese, comenzi şi informaţii de status. Adiţional sunt utilizate încă 5 linii destinate managementului magistralei, precum şi comunicaţiei. În Anexa 2 este prezentată arhitectura interfeţei GPIB şi semnalele de bază utilizate.

60

4.4. CANALE DMA. SISTEMUL DE ÎNTRERUPERI Conectarea plăcilor de extensie (prezentate în primul paragraf al acestui capitol) într-unul

din sloturile libere ale plăcii de bază nu rezolvă întotdeauna complet integrarea în sistem a dispozitivului respectiv. Placa respectivă va trebui să comunice cu restul de componente ale sistemului, în primul rând cu microprocesorul. Setarea plăcii se va face, după cum am amintit, (în special la plăcile moştenite, de tip ISA/EISA) prin poziţionarea unor jumpere şi comutatori DIP. Această setare se face şi în funcţie de canalele libere prin care se efectuează comunicarea şi transferurile de date cu sistemul. Există şi o integrare software pe baza driverelor care însoţesc plăcile de extensie. Pentru integrarea completă a unui dispozitiv periferic în sistemul de calcul, indiferent de scopul acestui dispozitiv, este necesară definirea şi asigurarea comunicaţiei generale prin care se va controla (de către microprocesor) activitatea dispozitivului. Trebuie stabilite şi rezervate canale de comunicaţie DMA (Direct Memory Acces), precum şi canale de întreruperi IRQ (Interrupt Request). În final trebuie setate adresele I/O la nivelul cărora se efectuează transferul datelor.

De exemplu, transferul datelor de la o placă de achiziţie la memoria calculatorului se face în cazul achiziţiei de date analogice în două etape:

1. Datele achiziţionate sunt stocate într-un buffer de tip FIFO (First In First Out) de pe placă. 2. Datele sunt transferate din memoria FIFO în memoria sistemului de calcul utilizând

întreruperile sau DMA. Bufferul FIFO este utilizat pentru stocarea temporară a datelor achiziţionate până când

acestea sunt transferate în memoria sistemului. Procesul de transfer în memoria FIFO şi de la aceasta la memoria sistemului de calcul comportă următoarele etape:

Bufferul FIFO stochează eşantioanele nou achiziţionate cu o frecvenţă de eşantionare constantă;

Înainte ca bufferul să fie umplut cu date, software-ul începe extragerea datelor. De exemplu, un semnal de întrerupere este generat atunci când bufferul FIFO este pe jumătate plin, semnalizând software-ului să înceapă extragerea datelor din buffer cât mai repede;

Deoarece gestionarea întreruperilor sau programarea controllerului DMA pot consuma un timp de ordinul milisecundelor, în bufferul FIFO se stochează în acest timp date noi care vor fi prelucrate ulterior (un avantaj îl constituie bufferele de lungime mare);

Eşantioanele sunt transferate către memoria calculatorului prin intermediul magistralei sistemului (de exemplu PCI). După transferul eşantioanelor, software-ul este liber pentru alte sarcini până la apariţia unei alte întreruperi (de exemplu datele pot fi prelucrate sau salvate pe un mediu de stocare).

Sistemul de întreruperi Metoda cea mai lentă dar şi cea mai uzuală de a transfera datele achiziţionate în memoria

sistemului este utilizarea sistemului de întreruperi. Placa generează un semnal de tip Interrupt Request (IRQ) atunci când este achiziţionat un eşantion sau mai multe eşantioane. Procesul de transfer al datelor prin sistemul de întreruperi se desfăşoară conform următoarelor etape generale:

Placa utilizator instalată va lansa către microprocesor un semnal de tipul Interrupt Request, adică o cerere de întrerupere desemnată de un anumit cod;

Microprocesorul abandonează (în funcţie de prioritatea întreruperii) temporar acţiunea în curs de desfăşurare şi transmite către placă un mesaj de recepţie, numit Interrupt Acknowledge;

După aceasta, sistemul de operare va executa o rutină specială care salvează starea regiştrilor curenţi ai microprocesorului şi care citeşte din tabela vectorilor de întrerupere adresa la care se află numărul canalului de întrerupere cerut

În continuare se poate da controlul rutinei driver aflată la adresa respectivă, rutină care răspunde de activitatea dispozitivului care a emis semnalul IRQ. După rezolvarea acestei rutine, sistemul de operare va reface starea microprocesorului şi sistemul revine la starea şi procesul desfăşurat înainte de apariţia semnalului IRQ.

61

Transferul de date este relativ lent datorită timpului consumat cu salvarea, setarea şi refacerea informaţiilor din regiştri, utilizarea sistemului de întreruperi fiind nerecomandată pentru aplicaţii la care frecvenţa de eşantionare este mai mare de 5 kHz.

Întreruperile hardware sunt gestionate de către un circuit de tipul 8259 (controller de întreruperi). Plăcile de extensie au asignate anumite coduri care sunt recunoscute de către controllerul de întrerupere şi de către microprocesor. Magistrala de întreruperi, adică traseul urmat de semnalele de întrerupere de la şi către microprocesor, este dotată de regulă cu două controllere de întreruperi înseriate care au fiecare opt intrări şi o ieşire, cel de-al doilea controller având intrarea 2 conectată la primul controller, prin această tehnică mărindu-se numărul de nivele de întreruperi ce pot fi folosite. Corespunzător celor 16 intrări vor rezulta 16 nivele de întrerupere, dintre care multe sunt deja rezervate unor periferice instalate (tastatură, harddisc etc.).

În ceea ce priveşte alegerea nivelelor de întrerupere folosite, trebuie alocate nivele diferite pentru plăci diferite, pentru a nu intra în conflict diverse cereri simultane ale plăcilor de extensie, adresate pentru acelaşi nivel de întrerupere.

Pentru sistemele vechi de tip XT şi AT de exemplu, există 8 nivele de priorităţi (IRQ0-IRQ7), respectiv 16 nivele (IRQ0-IRQ15). Se pot folosi şi canale prealocate în afara celor libere, atunci când nu folosim perifericul corespunzător acelui nivel (de exemplu IRQ5 – LPT 2). Modul în care sunt asignate întreruperile în cazul unui sistem AT este prezentat în tabelul 4.2. Observaţie: Circuitele 82C59A pot fi folosite pentru conectarea în cascadă astfel încât se poate ajunge la 64 de nivele de întrerupere. Schema unei astfel de conectări este dată în Fig. 4.11.

Tabelul 4.2. Semnificaţia nivelelor de întrerupere

Nivel de Întrerupere

Utilizare

IRQ0 Ceas sistem IRQ1 Tastatură IRQ2 Al doilea controller IRQ IRQ3 COM2, COM4 * IRQ4 COM1, COM3 IRQ5 LPT2 * IRQ6 Disc flexibil IRQ7 LPT1 IRQ8 Ceas de timp real IRQ9 Redirectat de la IRQ2 * IRQ10 Rezervat * sau liber pentru alte extensii IRQ11 Rezervat * sau liber pentru alte extensii IRQ12 Rezervat * sau liber pentru alte extensii IRQ13 Coprocesor matematic * IRQ14 Harddisc IRQ15 Rezervat * sau liber pentru alte extensii

* Utilizate în general de către BIOS

DMA Folosirea DMA conduce, după cum se cunoaşte, la creşterea vitezei sistemului prin

degrevarea microprocesorului de controlul transferurilor de date, accesul la memorie fiind efectuat de placa de extensie. Când ne referim la DMA, ne referim de fapt la transferuri de date şi la controlul acestora între memorie şi porturile I/O. Activitatea este supravegheată în cazul transferurilor de tip DMA de către un circuit specializat numit controller DMA. Dacă o setare DMA a fost realizată greşit, de exemplu acelaşi canal DMA a fost alocat pentru mai multe dispozitive, placa nou conectată nu va funcţiona sau chiar va bloca sistemul. În funcţie de aplicaţie, se pot folosi unul sau mai multe canale DMA.

62

Fig. 4.11. Utilizarea controllerelor de întreruperi 82C59A

Procesul transferului de date prin intermediul DMA este în esenţă următorul: Atunci când datele sunt gata de transfer, placa avertizează controllerul DMA pentru ca

acesta să efectueze transferul către memoria sistemului; Unitatea centrală (microprocesorul) încetează comunicarea cu placa şi controllerul DMA

mută datele de pe placă în memoria sistemului; Controllerul DMA se pregăteşte pentru un nou transfer, prin indicarea următoarei locaţii de

memorie; Etapele anterioare sunt repetate, fără a fi necesară nici-o interacţiune între placă şi unitatea

centrală. În timp ce magistralele ISA/EISA au un controller DMA de tip 8237A, magistrala de tip PCI permite implementarea controllerului (bus master) DMA la latitudinea producătorului de plăci de extensie – care sunt de tip plug-in.

Un exemplu de bus master DMA pentru magistrala PCI este ASIC MITE, produs de National Instruments. Acest controller a fost construit pentru ca plăcile plug-in să beneficieze de viteza maximă teoretică a magistralei PCI de 132 MB/sec. ASIC MITE permite transferul de date între memoria FIFO a plăcii de achiziţie şi memoria RAM fără intervenţia procesorului, asigurând implementarea a 3 canale DMA şi buffere FIFO pentru minimizarea timpului de scriere/rescriere de date din timpul transferului.

Controllerul ASIC MITE implementează transferuri de date de tip scatter-gather (dispersare-adunare) care elimină necesitatea reprogramării procesorului DMA la fiecare sfârşit de pagină (cum era cazul la 8237A).

IRQ0IRQ1IRQ2IRQ3IRQ4IRQ5IRQ6IRQ7

INT

IRQ0IRQ1IRQ2IRQ3IRQ4IRQ5IRQ6IRQ7

INT

IRQ0IRQ1IRQ2IRQ3IRQ4IRQ5IRQ6IRQ7

INT

IRQ0IRQ1IRQ2IRQ3IRQ4IRQ5IRQ6IRQ7

INT

Disp. periferic 0Disp. periferic 1

Disp. periferic 7

Disp. periferic 8Disp. periferic 9

Disp. periferic 15

Disp. periferic 56Disp. periferic 57

Disp. periferic 63

8259A Slave

8259A Slave

8259A Slave 8259A Master

Spre microprocesor

63

Sistemul de operare DOS are capacitatea de a aloca unei aplicaţii un bloc compact de memorie fizică. Acest lucru permite creşterea vitezei de transfer prin DMA datorită faptului că paginile de memorie în care sunt transferate datele au lungime maximă (64 k), deci numărul de reprogramări ale controllerului DMA de tip 8237 este minim. Dezavantajul acestui sistem de operare este că memoria care poate fi alocată este limitată.

Sistemele de tip Windows folosesc memorie virtuală, care din punct de vedere al aplicaţiei pare o memorie compactă, dar care în realitate este o colecţie de segmente mici de memorie fizică, dispersate, cu adrese de start şi cu lungimi diferite. În timpul transferului DMA, controllerul 8237 trebuie reprogramat la începutul fiecărui segment nou care primeşte date, ceea ce conduce la încetinirea vitezei de transfer.

În cazul folosirii unui controller de tip ASIC MITE, acesta implementează transferul scatter-gather, care modifică tehnica de transfer: înainte de efectuarea transferului, controllerul este programat cu adresele de început şi cu mărimile segmentelor de memorie fizică alocate aplicaţiei respective, segmente care vor primi date. Această pre-programare elimină necesitatea de reprogramare repetată a procesorului DMA, ceea ce conduce la creşterea vitezei de transfer.

64

CAP. 5. SISTEME DE ACHIZIŢIE ŞI CONDUCERE 5.1. STRUCTURA SISTEMELOR DE ACHIZIŢIE ŞI CONDUCERE 5.1.1. Definiţii. Clasificări Prin completarea configuraţiei unui calculator (de regulă un calculator personal – PC) cu

elemente din categoria interfeţelor de proces (plăci de achiziţie) se obţine un sistem de achiziţie a datelor (după cum vom vedea în continuare, noţiunea de sistem de achiziţie este ceva mai generală, fiind incluse aici şi alte sisteme numerice de achiziţie care nu se bazează pe PC). În condiţiile existenţei funcţiilor de conducere, sistemul se va numi sistem de achiziţie şi conducere (SAC).

Prin sistem de achiziţie a datelor se înţelege un sistem de măsurare care permite vizualizarea şi/sau înregistrarea evoluţiei temporale a mai multor mărimi, analogice şi/sau numerice, poate implementa mai multe regimuri de achiziţie şi permite diverse prelucrări numerice.

Principalele regimuri de achiziţie implementate de sistemele de achiziţie a datelor sunt următoarele:

- Regimuri de achiziţie pentru afişare locală (Digital Panel Meter) – permit măsurarea numerică a mai multor mărimi în scopul unor monitorizări locale. Pot fi realizate şi prelucrări numerice simple de tipul liniarizării caracteristicilor senzorilor. Valorile măsurate nu se memorează, dar pot fi transmise la distanţă.

- Regimuri de achiziţie de lungă durată (Data Logger) – permit memorarea evoluţiilor temporale ale mărimilor măsurate, ceea ce permite prelucrări ulterioare ale informaţiilor.

- Regimuri de achiziţie de scurtă durată (Transient Recorder) – permit vizualizarea şi/sau înregistrarea unor regimuri tranzitorii, sau a unor secvenţe numerice nerepetitive.

Modul de desfăşurare a achiziţiei de date depinde de un eveniment de tip trigger, prin care se defineşte zona de interes din evoluţiile analizate. Se pot întâlni două moduri principale de achiziţie:

modul posttrigger modul pretrigger

Modul posttrigger realizează achiziţia unui număr specificat de eşantioane după apariţia unui eveniment trigger, adică după recepţionarea unui semnal trigger (de sincronizare). După ce bufferul care stochează datele achiziţionate (de lungime specificată de utilizator) este plin, achiziţia este stopată.

În cadrul modului pretrigger datele sunt achiziţionate continuu, înainte şi după primirea unui semnal trigger. Datele sunt colectate într-un buffer precizat de utilizator până când recepţionează semnalul trigger. După aceasta, sistemul de achiziţie va mai colecta un număr specificat de eşantioane după care stopează achiziţia. Bufferul este tratat ca un buffer circular, adică după ce întregul buffer este completat, datele sunt stocate de la început prin suprascrierea datelor vechi. La terminarea achiziţiei, bufferul conţine eşantioane dinaintea şi după apariţia semnalului trigger. Numărul de eşantioane salvate în buffer depinde de lungimea acestuia (specificată de utilizator) şi de numărul specificat de eşantioane de achiziţionat după apariţia semnalului trigger.

Pe lângă aceste variante principale, în funcţie de firmele producătoare de sisteme de achiziţie s-au dezvoltat tehnici de achiziţie care derivă din acestea, un exemplu fiind modul de achiziţie de tip double-buffered, dezvoltat de National Instruments, care utilizează o tehnică asemănătoare cu modul pretrigger, completând bufferul specificat de utilizator în mod continuu. Spre deosebire de modul pretrigger, aici se apelează la un al doilea buffer, care preia datele vechi din primul buffer, înainte ca acestea să fie suprascrise.

Sistemele de achiziţie a datelor pot fi clasificate în funcţie de modul în care sunt prelucrate canalele de intrări analogice în trei configuraţii:

• sisteme de achiziţie cu multiplexare temporală; • sisteme de achiziţie sincronă a datelor; • sisteme rapide de achiziţie a datelor.

65

Sarcina fundamentală a sistemelor de achiziţie şi conducere este măsurarea şi/sau generarea semnalelor fizice din lumea reală. Diferenţa de bază între diversele opţiuni hardware de realizare a SAC este metoda de comunicare între hardware-ul de achiziţie şi sistemul de calcul. Din acest punct de vedere putem clasifica hardware-ul de achiziţie în două categorii principale:

hardware (plăci) de achiziţie de uz general hardware de achiziţie special (instrumente sau aparate de măsurare speciale)

Echipamentele din prima categorie stau la baza sistemelor de achiziţie de tip instrument virtual, iar cele din a doua categorie la baza sistemelor de achiziţie cu aparatură de măsură programabilă şi a sistemelor de achiziţie dedicate.

1. Sisteme de achiziţie a datelor tip instrument virtual (VI – Virtual Instrument). Acest tip de sistem este obţinut prin conectarea unei plăci de achiziţie la un calculator şi prin utilizarea unor module exterioare de cuplare.

Plăcile de achiziţie asigură realizarea unor funcţii cum ar fi condiţionarea de semnal, măsurarea numerică propriu-zisă, conectarea informaţională cu calculatorul. Calculatorul asigură la rândul său funcţii cum ar fi interfaţarea cu placa de achiziţie, controlul achiziţiei datelor, stocarea datelor, prelucrări complexe ale informaţiilor.

Plăcile de achiziţie folosite în cadrul sistemelor de achiziţie tip VI pot fi de mai multe tipuri, care se pot însă încadra în două categorii principale: plăci de achiziţie universale şi plăci de achiziţie complexe (dedicate).

Plăcile de achiziţie universale asigură prelucrări analogice minime, oferă ieşiri numerice şi analogice pentru a putea fi folosite în conducerea proceselor (sistemul de achiziţie fiind în acest caz de tip SAC) şi asigură funcţiile numerice minimale. Plăcile complexe rezolvă în plus cerinţe de prelucrări speciale, cum ar fi analiza spectrală, regimuri tranzitorii, măsurări de precizie, achiziţii de tip adaptiv care urmăresc viteza de variaţie a mărimilor analogice etc.

2. Sisteme de achiziţie cu aparatură de măsură programabilă. Aparatura de măsură utilizată este din categoria multimetrelor, osciloscoapelor digitale, generatoarelor de funcţii, iar cuplarea la procesul fizic care este măsurat este directă. Standardul de cuplare este de obicei de tip GPIB (IEEE 488). Aceste sisteme implementează de obicei regimuri de achiziţie de tip Data Logger şi uneori de tip Transient Recorder.

3. Sisteme de achiziţie dedicate. Sunt sisteme de achiziţie configurate pentru procese industriale complexe sau componente elementare ale unor sisteme distribuite de măsurare şi monitorizare. De regulă, aceste sisteme de achiziţie sunt impuse de firmele puternice din domeniu (National Instruments, Analog Devices Tektronix etc.), fiind conturată încadrarea acestor sisteme dedicate în standardul VXI. VXI (VME eXtensions for Instrumentation) defineşte un protocol standard de comunicaţie care utilizează comenzi ASCII pentru controlul instrumentelor de măsură, asemănător cu GPIB.

5.1.2. Comparaţie între hardware-ul de achiziţie de uz general şi instrumentele speciale Proiectarea şi construirea unui sistem de achiziţie poate fi o sarcină dificilă. Există o mare

varietate de componente hardware care pot fi utilizate pentru achiziţia de date sau conducerea unui proces. Pot fi utilizate spre exemplu echipamente de achiziţie standard compacte de tip GPIB, echipamente modulare tip VXI sau plăci de achiziţie plug-in conectate la PC. Modul de comunicare între proces, hardware-ul de achiziţie şi sistemul de calcul diferenţiază aceste posibile opţiuni. După cum s-a precizat, se poate realiza o clasificare generală în hardware de achiziţie de uz general (General purpose DAQ) şi hardware de achiziţie special (instrumente de măsurare speciale – Special purpose instruments).

Echipamentele de achiziţie de uz general sunt plăci (plug-in) care se conectează la magistrala unui PC prin intermediul unui slot de extensie. Unele echipamente sunt externe şi se conectează la calculator prin intermediul unor porturi seriale, paralele sau ethernet. Un echipament de achiziţie de uz general se distinge prin modul de realizare a măsurătorilor (achiziţiilor): hardware-ul de achiziţie realizează doar conversia semnalelor de intrare în semnale numerice pe care le trimite calculatorului. Hardware-ul de achiziţie nu calculează sau prelucrează datele pentru

66

furnizarea rezultatelor finale ale măsurătorilor, lăsând această operaţiune pe seama calculatorului, mai precis software-ului din calculator. Avantajul unui hardware de achiziţie de uz general conectat la un PC este că se pot realiza o serie de măsurători de tipuri diferite prin simpla schimbare a modulelor aplicaţiei software care prelucrează datele, apărând astfel conceptul de instrumentaţie virtuală. Astfel, în afara controlului, măsurării şi afişării datelor, o aplicaţie dezvoltată de utilizator pentru un sistem de achiziţie de tip instrument virtual joacă şi rolul de firmware – adică rolul software-ului built-in necesar pentru prelucrarea datelor şi furnizarea rezultatelor finale, firmware care există totdeauna în interiorul unui instrument special de măsură.

Această mare flexibilitate oferită de un sistem de achiziţie de uz general necesită totuşi ca utilizatorul să dezvolte o serie de aplicaţii software pentru fiecare tip de măsurătoare în parte. Pentru a implementa cât mai rapid un astfel de sistem de achiziţie, există la dispoziţia utilizatorilor software de aplicaţie cum ar fi LabVIEW, LabWindows, MATLAB/Simulink/DAQ etc.

Hardware-ul de achiziţie special este similar cu hardware-ul de uz general în ceea ce priveşte modul de conversie a datelor, dar instrumentele speciale au capacităţi de măsurare (achiziţie) specifice. Firmware-ul rezident în aceste echipamente, necesar pentru prelucrarea datelor şi furnizarea rezultatelor măsurării, este de regulă de tip built-in şi nu poate fi modificat. De exemplu, un multimetru numeric nu poate citi datele aşa cum o face un osciloscop numeric. Multe dintre instrumentele speciale sunt de-sine-stătătoare (independente), altele sunt plasate în exteriorul calculatorului dar sunt controlate şi monitorizate prin intermediul acestuia. Acestea din urmă au un protocol specific care este folosit de către calculator pentru a putea comunica cu instrumentul respectiv. Conexiunea cu calculatorul poate fi serială, Ethernet, GPIB, VXI. Există şi hardware de achiziţie special care este plasat în interiorul calculatorului, ca în cazul echipamentelor de uz general. Aceste instrumente speciale se numesc instrumente (aparate) de măsurare speciale bazate pe calculator – computer-based instruments (sau instrumente de măsurare cu tehnică de calcul asociată).

Înainte de a putea conecta un hardware de achiziţie de uz general la un semnal fizic, trebuie

utilizat un senzor sau un traductor pentru convertirea semnalului fizic respectiv într-un semnal electric de tip tensiune sau curent. Deşi hardware-ul de achiziţie – placa plug-in – este considerat deseori ca fiind întregul sistem de achiziţie, această placă de achiziţie este doar o componentă a SAC. Spre deosebire de instrumentele de măsurare de-sine-stătătoare, de regulă nu putem conecta direct semnalele la placa de achiziţie, ci trebuie utilizate dispozitive pentru condiţionarea semnalelor, descrise în capitolele anterioare. În plus, trebuie utilizat un software adecvat care controlează achiziţia şi generarea datelor, analizează, prelucrează şi prezintă datele.

În Fig. 5.1 sunt prezentate două configuraţii posibile pentru un sistem care utilizează hardware de uz general. În prima configuraţie placa de achiziţie de uz general este plasată în calculator, iar în cea de-a doua configuraţie echipamentul de achiziţie este extern. Dacă este utilizată această configuraţie cu placă externă, se pot realiza sisteme de achiziţie cu calculatoare care nu au disponibile sloturi, cum ar fi de exemplu laptop-urile. În acest caz, calculatorul şi modulul extern de achiziţie comunică prin intermediul porturilor seriale sau paralele. Aceste tipuri de sisteme sunt utilizate pentru aplicaţii de achiziţie şi conducere de la distanţă (telecomandă).

Observaţie: O a treia configuraţie posibilă este cea a laptop-urilor prevăzute cu magistrală de tip PCMCIA, care permit plasarea unor plăci de achiziţie în laptop, modul de conectare fiind similar cu prima configuraţie, permiţând obţinerea unor sisteme de achiziţie portabile şi compacte.

Un rol important în sistemele de achiziţie de uz general este jucat după cum am văzut de software. Sofware-ul prelucrează datele brute astfel încât să poată fi utilizate şi înţelese. Software-ul permite obţinerea de grafice, diagrame, rapoarte statistice etc. De asemenea, software-ul controlează întregul sistem de achiziţie (timpii de achiziţie, precizarea canalelor de achiziţie etc.).

De regulă, software-ul de achiziţie include drivere şi software de aplicaţie. Driverele sunt unice pentru un anumit echipament sau tip de echipament şi includ o serie de comenzi acceptate de dispozitivul respectiv. Software-ul de aplicaţie trimite comenzi către drivere, cum ar fi de exemplu startarea achiziţiei de date de la un termocuplu, afişarea şi analiza datelor achiziţionate. Funcţiile software-ului de achiziţie vor fi analizate în paragrafele viitoare.

67

Fig. 5.1. Configuraţii ale sistemelor de achiziţie de uz general

Sarcina fundamentală a unui instrument de măsurare este de a măsura un anumit fenomen

natural. Spre deosebire de cazul achiziţiei de date de uz general prezentat anterior, semnalul provenit de la instrumentul de măsurare şi furnizat calculatorului nu necesită condiţionare de semnal. Modul în care calculatorul controlează instrumentul special şi în care achiziţionează datele de la instrument depinde de modul de realizare a instrumentului respectiv. Tipurile de instrumente de măsurare cele mai utilizate sunt cele de tip GPIB, seriale, VXI, PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) şi instrumentele cu tehnică de calcul asociată.

Toate instrumentele de măsurare externe comunică cu calculatorul prin intermediul unei magistrale şi cu ajutorul unui protocol de comunicaţie. Instrumentele au un set de comenzi pe care le pot înţelege, iar utilizatorul trebuie să dezvolte aplicaţii care să trimită comenzi şi să primească date de la instrument.

Driverele instrumentelor de măsurare sunt factori decisivi în dezvoltarea aplicaţiilor. Driverul unui instrument este o colecţie de funcţii care implementează comenzile necesare pentru realizarea operaţiunilor de către instrumentul de măsurare. Software-uri precum LabVIEW includ drivere pentru diverse instrumente şi realizează simplificarea programării instrumentelor prin comenzi de nivel înalt.

Driverele creează comenzi şi comunică cu instrumentul prin legături seriale, GPIB sau VXI. Suplimentar, driverele recepţionează şi scalează datele de la instrumente pentru a putea fi utilizate corespunzător, contribuind la realizarea de economii de timp.

Spre exemplificare, LabVIEW furnizează peste 700 drivere pentru instrumente de măsurare produse de peste 50 de firme. Aceste drivere pot fi utilizate pentru reducerea costurilor de dezvoltare a software-ului, pentru o mare varietate de sisteme şi configuraţii.

68

5.1.3. Sisteme de achiziţie a datelor cu multiplexare temporală Sistemele de achiziţie a datelor cu multiplexare temporală sunt cele mai răspândite şi se

bazează pe multiplexarea analogică a canalelor de intrări analogice. Semnalele analogice de pe cele n canale de intrare sunt multiplexate la intrarea circuitului de eşantionare/memorare S/H (sample-hold), care realizează o eşantionare secvenţială a canalelor de intrare. Structura unui astfel de sistem este prezentată în Fig. 5.2.

Fig. 5.2. Structura circuitelor de intrări analogice ale unui sistem cu multiplexare temporală

Multiplexorul analogic are rolul fundamental de a permite utilizarea unui singur CAN pentru cele n canale analogice. Multiplexorul conţine n comutatoare electronice, ale căror ieşiri sunt conectate împreună, furnizând ieşirea multiplexorului. Comanda de închidere sau de deschidere a comutatoarelor se face prin k intrări de selecţie, unde kn 2= .

Atunci când sunt necesare mai multe canale de intrări analogice se pot utiliza mai multe multiplexoare într-o structură de tip arborescent. Un exemplu este în acest sens conectarea la o placă de achiziţie de tip AT-MIO (National Instruments) a unei plăci multiplexoare de intrări analogice AMUX-64T pentru extinderea intrărilor de la 16 la 64 de canale single-ended (32 diferenţiale).

Unitatea centrală din Fig. 5.2 trebuie să asigure semnalul de comandă al circuitului S/H, semnalul de iniţiere a conversiei (START) pentru CAN şi semnalele de selecţie pentru multiplexorul analogic. Unitatea centrală a acestei structuri poate să nu fie proprie sistemului de achiziţie, ci să aparţină sistemului de calcul cu care este interfaţată placa de achiziţie.

O astfel de structură asigură un timp de achiziţie acht pentru un canal compus din timpul de eşantionare/memorare HSt / , timpul necesar operaţiunii de multiplexare Muxt , timpul de conversie

Ct şi din timpul necesar memorării rezultatelor conversiei (necesar citirii datelor de la CAN şi scrierii în buffer) memt :

memCMuxHSach ttttt +++= / (5.1)

Pentru cele n canale de intrare rezultă o perioadă totală de eşantionare

ache tnT ⋅= (5.2) de unde se poate obţine rapid şi frecvenţa de eşantionare

achee tnT

f⋅

==11 (5.3)

Sistemele de achiziţie cu multiplexare temporală sunt lente dar au avantajul costului redus.

Aceste sisteme nu pot fi utilizate pentru achiziţia unor semnale de frecvenţă foarte mare (rapid variabile în timp).

Circuit S/H CAN

Multiplexor

Canale de intrări analogice

Comandă S/H

Buffer

START

EOC

Ieşiri paralele

Date Adresă canale Unitate centrală cu

microprocesor

Ieşire serială

Intrarea 1

Intrarea n

69

5.1.4. Sisteme de achiziţie sincronă a datelor

Sistemele de achiziţie sincronă sunt caracterizate de amplasarea pe fiecare canal de intrare analogică a câte unui circuit sample-hold, înainte de multiplexorul analogic (Fig. 5.3).

Fig. 5.3. Structura circuitelor de intrări analogice ale unui sistem de achiziţie sincronă Comanda pentru trecerea în starea de memorare este dată simultan pentru toate circuitele

S/H (simultaneous sample and hold – SS/H), iar ieşirile acestora sunt multiplexate la intrarea în CAN.

Pentru o astfel de structură sunt necesare performanţe foarte bune ale circuitelor S/H în ceea ce priveşte viteza de alterare a tensiunii memorate. În această configuraţie, perioada de eşantionare va fi dată de relaţia:

( )memCMuxHSe tttntT ++⋅+= / (5.4)

Din relaţia (5.4) se observă că perioada de eşantionare este mai mică decât la structura cu

multiplexare temporală, deşi aceasta rămâne în continuare dependentă de numărul de canale de intrare.

5.1.5. Sisteme rapide de achiziţie a datelor Pentru aplicaţiile care necesită achiziţia unor semnale care variază foarte repede în timp (au

o frecvenţă foarte mare), configuraţiile bazate pe multiplexarea analogică a semnalelor de intrare şi pe folosirea unui singur CAN nu dau rezultate corespunzătoare.

Mărirea vitezei de achiziţie se poate realiza prin implementarea unor configuraţii care utilizează câte un CAN pentru fiecare canal de intrare analogică, obţinându-se structura din Fig. 5.4. În cazul sistemului rapid de achiziţie a datelor, viteza de achiziţie creşte de n ori faţă de cazul eşantionării secvenţiale. Această configuraţie permite utilizarea tehnicii de supraeşantionare (oversampling).

Din structura prezentată în Fig. 5.4 se observă că datele de la ieşirile CAN-urilor sunt transmise către un multiplexor numeric care trimite secvenţial datele pe magistrala sistemului de calcul.

Perioada de eşantionare pentru cele n canale de intrare pentru această configuraţie este dată de relaţia:

)(/ memMuxCHSe ttnttT +⋅++= (5.5)

Timpul Muxt din relaţia (5.5) este corespunzător multiplexorului numeric şi este mult redus

faţă de cazul unui multiplexor analogic.

Circuit S/H

CAN

Multiplexor Canale de intrări

analogice

Comandă S/H

Buffer

START

EOC

Ieşiri paralele

Date Adresă canale Unitate centrală cu

microprocesor

Ieşire serială

Intrarea 1

Intrarea n

Circuit S/H

Circuit S/H

Intrarea 2

70

Fig. 5.4. Structura circuitelor de intrări analogice ale unui sistem rapid de achiziţie a datelor

Sisteme de achiziţii rapide au ca avantaje viteza de achiziţie mare, posibilitatea de a utiliza

CAN-uri mai lente şi mai ieftine, posibilitatea de izolare galvanică a sursei de semnal împreună cu CAN-ul corespunzător faţă de restul sistemului de achiziţie.

5.1.6. Structura generală a unui sistem de achiziţie şi conducere de tip instrument virtual

În continuare ne vom referi la sistemele de achiziţie de tip instrument virtual (VI). Sistemul de achiziţie şi conducere poate fi gândit ca un ansamblu software şi hardware care permite conectarea la lumea fizică reală. Un sistem de achiziţie şi conducere tipic conţine următoarele componente:

• Hardware-ul de achiziţie de date (placa de achiziţie). Constituie nucleul sistemului de achiziţie şi principalele funcţii sunt cele de conversie analog-numerică şi de conversie numeric-analogică.

• Traductoarele (senzorii) şi elementele de execuţie. • Hardware-ul de condiţionare a semnalelor. • Calculatorul (PC). Calculatorul furnizează procesorul, ceasul sistemului, magistralele de

transfer al datelor, memorie şi spaţiu pentru stocarea datelor. • Software. Software-ul de achiziţie permite realizarea schimbului de informaţii între

computer şi placa de achiziţie. Componentele sistemului de achiziţie şi conducere, precum şi relaţiile de interconectare sunt

prezentate în schema generală din Fig. 5.5 Placa de achiziţie este o placă de extensie care poate fi conectată intern prin instalarea

directă într-un slot de extensie al calculatorului sau poate fi externă, caz în care este conectată la calculator printr-un cablu extern. Placa de achiziţie este caracterizată (a se vedea capitolul de interfeţe de proces) prin subsisteme specializate (sistemul intrărilor analogice, sistemul intrărilor numerice, sistemul ieşirilor analogice, sistemul ieşirilor numerice, sistemul de numărare/temporizare). Pe placa de achiziţie se află CAN-urile şi CNA-urile necesare diverselor conversii.

Circuit S/H

CAN

Canale de intrări analogice

Comandă S/H

Buffer

START

EOC

Date

Adrese canale

Unitate centrală cu microprocesor

Intrarea 1

Intrarea n

Circuit S/H

Circuit S/H

Intrarea 2 Comandă S/H

Comandă S/H CAN

CAN

Buffer

Buffer

Multiplexor numeric

START

EOC

START EOC

Comenzi S/H

Comenzi de START conversie

Semnale EOC

71

Fig. 5.5. Structura generală a unui sistem de achiziţie şi conducere de tip VI

Traductoarele transformă mărimile fizice de interes, caracteristice procesului fizic, în mărimi electrice care vor fi prelucrate prin circuitele de condiţionare. Elementele de execuţie permit conducerea procesului fizic prin intermediul mărimilor de execuţie şi pot fi motoare, relee, electrovalve etc.

Circuitele de condiţionare a semnalelor realizează funcţiile descrise în subcapitolele anterioare, cum ar fi amplificarea, izolarea galvanică, filtrarea, liniarizarea etc.

Calculatorul furnizează după cum am amintit microprocesorul, ceasul sistemului, magistralele de transfer al datelor, memorie şi spaţiu pentru stocarea datelor. Datele sunt transferate de la hardware la memoria sistemului prin tehnici de tip DMA (varianta cea mai rapidă) sau prin sistemul de întreruperi (descrise în capitolul anterior). Rata de achiziţie a datelor este determinată şi de arhitectura magistralei calculatorului.

Software-ul este o componentă esenţială a unui sistem de achiziţie şi conducere, indiferent de tipul echipamentelor hardware utilizate. Către hardware sunt trimise informaţii cum ar fi frecvenţa de eşantionare, şi trebuie recepţionate informaţii cum ar fi datele, mesaje de stare, mesaje de eroare etc. Sunt necesare uneori informaţii pentru integrarea hardware-ului de achiziţie cu alte componente hardware şi cu resurse ale calculatorului. Toate aceste schimburi de informaţii necesită prezenţa unui software de achiziţie. Există două tipuri de software de achiziţie:

- Drivere – reprezintă software specializat de achiziţie şi sunt de regulă furnizate de fabricantul plăcii de achiziţie. Sunt compatibile cu sistemele de operare curente (DOS, Windows etc.)

- Software-uri de aplicaţie (numite şi constructori software) precum LabWindows, LabVIEW, Matlab etc.

Prin utilizarea software-ului de achiziţie se obţin aşa-numitele instrumente virtuale utile pentru achiziţia şi analiza datelor.

În Fig. 5.6 este reprezentată relaţia dintre utilizator, software-ul de achiziţie şi placa de achiziţie în cazul unui sistem de achiziţie de tip National Instruments.

Fenomen (proces) fizic

Fenomen (proces) fizic

Traductoare (Senzori)

Condiţionare de semnal

Condiţionare de semnal

Elemente de execuţie

Hardware(placa de achiziţie)

Calculator Software de achiziţie

Analiza datelor

Sistem de achiziţie şi conducere

72

Fig. 5.6. Relaţia software de achiziţie – hardware de achiziţie

pentru un sistem National Instruments

Driverele sunt asociate cu echipamentul hardware de achiziţie şi au printre funcţiile de bază: Transferul datelor spre şi dinspre placa de achiziţie Controlează rata de achiziţie a datelor Integrează hardware-ul de achiziţie cu resursele calculatorului (cum ar fi procesorul) Transferul prin DMA şi întreruperi Integrează hardware-ul de achiziţie cu circuitele de condiţionare a semnalelor Accesul la subsistemele de pe placa de achiziţie şi accesul la mai multe plăci de

achiziţie din cadrul aceluiaşi sistem Transferul datelor achiziţionate prin placa de achiziţie la memoria sistemului se realizează în

două etape principale: în primul rând datele sunt stocate într-un buffer de tip FIFO (First In First Out) iar în a doua etapă datele sunt transferate din bufferul FIFO în memorie utilizând sistemul de întreruperi sau DMA.

Software-ul de aplicaţie furnizează o interfaţă convenabilă cu driverele, iar printre funcţiile de bază se pot enumera:

Furnizează informaţii cum ar fi numărul de eşantioane achiziţionate Gestionează datele stocate în memoria calculatorului Realizează anumite operaţii de condiţionare a semnalului Vizualizează datele achiziţionate Realizează analize asupra datelor achiziţionate

5.1.7. Structura unei plăci de achiziţie a datelor Dezvoltarea calculatoarelor şi creşterea performanţelor acestora a condus la ideea realizării

unor plăci de achiziţie, care integrate în sistemele de achiziţie pot prelua funcţiile instrumentelor (aparatelor) de măsurat clasice şi pot realiza conducerea numerică a unor procese industriale.

În varianta cea mai simplă, o placă de achiziţie conţine un CAN şi circuitele logice necesare interfaţării acestuia cu calculatorul. Complexitatea plăcilor a crescut în permanenţă, structura actuală conţinând pe lângă partea de achiziţie subsistemul de ieşiri analogice, de intrări/ieşiri numerice şi circuitele de numărare/temporizare.

Structura generală a unei plăci de achiziţie este prezentată în Fig. 5.7.

Utilizator

Software de aplicaţie

Drivere

Placă achiziţie

MATLAB/Data Acquisition Toolbox sau LabVIEW

Driver NI-DAQ

Placă National Instruments AT-MIO-16H-9

73

Fig. 5.7. Structura unei plăci de achiziţie

Partea de achiziţie (analogică) a plăcii de achiziţie conţine un multiplexor analogic (MUX), un amplificator cu câştig programabil (PGA), convertorul analog-numeric (CAN) şi o memorie tampon de tip FIFO. Multiplexorul poate avea de exemplu 16 intrări, ceea ce permite obţinerea a 16 canale asimetrice (de tip single-ended) sau a 8 canale diferenţiale. Amplificatorul PGA permite obţinerea mai multor domenii de măsurare prin programarea corespunzătoare a amplificării, ceea ce determină lărgirea gamei admise pentru semnalele de intrare.

CNA reprezintă blocul convertoarelor numeric/analogice folosite pentru generarea unor comenzi analogice către proces, iar circuitele de intrări/ieşiri numerice servesc la acţionarea unor elemente de tip releu (ieşirile) şi la detectarea unor stări din proces (intrările). În afara aplicaţiilor de conducere numerică a proceselor industriale, plăcile de achiziţie au aplicaţii numeroase în măsurări. Sistemele de achiziţie obţinute prin folosirea plăcilor de achiziţie şi a soft-urilor adecvate permit obţinerea de instrumente virtuale, ceea ce conduce la folosirea unei singure plăci la implementarea mai multor aparate de măsură (o aceeaşi placă serveşte la implementarea unui osciloscop numeric, a unui multimetru etc.). Prin utilizarea soft-urilor de aplicaţie cum ar fi LabVIEW-ul, pe ecranul calculatorului poate fi creat panoul frontal al aparatului implementat, cu butoanele şi comutatoarele tipice ale acestuia.

MUX PGA CAN FIFO Interfaţă cu magistrala

Magistrală internă

Bloc de comandăIeşiri/intrări

numerice

Magistrală internă Circuite de numărare/ temporizare

CNA

Magistrala sistem

ului (ISA, PC

I, …)

Conector I/O

analogic, numeric

74

5.2. INTRĂRI ANALOGICE 5.2.1. Tipuri de semnale şi de surse de semnal

Din punct de vedere al achiziţiei de date, semnalele analogice pot fi clasificate în trei categorii: semnale cu variaţie lentă în timp (de tip c.c.), semnale cu variaţie rapidă în timp, semnale în domeniul frecvenţă (Fig. 5.8).

Fig. 5.8. Tipuri de semnale

O dată încadrat semnalul analogic în una din categoriile de mai sus, pentru a putea realiza

achiziţia de date trebuie definite suplimentar câteva caracteristici ale semnalului, cum ar fi modul de raportare a semnalului la masă sau viteza de variaţie în timp.

Un semnal de tip c.c. poate fi considerat un semnal lent variabil în timp, care poate fi măsurat prin achiziţia unui singur punct. Totuşi, dacă peste semnalul de tip c.c. este suprapus un zgomot (care poate fi rapid variabil în timp), trebuie luate anumite măsuri de precauţie pentru ca rezultatul achiziţiei să nu fie viciat. În cazul semnalelor rapid variabile în timp sau al celor din domeniul frecvenţă, se foloseşte achiziţia mai multor puncte cu o frecvenţă de eşantionare (rată de scanare sau de citire) mare. Frecvenţa de eşantionare determină cât de des este realizată conversia analog-numerică. Cu cât această frecvenţă de citire este mai mare, cu atât este posibilă achiziţia mai multor puncte (eşantioane) într-un interval de timp dat şi prin urmare se obţine o mai bună reprezentare a semnalului original. Conform teoremei lui Nyquist, frecvenţa de eşantionare trebuie să fie de cel puţin două ori mai mare decât frecvenţa maximă a componentelor semnalului care este eşantionat, dar practic trebuie aleasă o frecvenţă de eşantionare mult mai mare (frecvenţa Nyquist este suficientă pentru păstrarea informaţiei frecvenţiale despre semnalul original, dar este insuficientă pentru reconstituirea cu precizie a formei semnalului original în domeniul timp).

Sursele de semnal analogic sunt de două tipuri: raportate (referite) sau ne-raportate la masă,

denumite şi surse flotante. Surse de semnal flotante (floating signal source) O sursă de semnal flotantă este o sursă care nu este conectată la sistemul de împământare

sau de masă al clădirii (sursa flotantă poate avea însă un punct de masă izolat) – Fig. 5.9.

Fig. 5.9. Sursă de semnal flotantă

Sursele flotante sunt fie surse de tip autonom, care nu sunt raportate la masă sau pământ, fie

surse cu izolare care sunt caracterizate de existenţa unei izolări galvanice între punctele de măsurare şi reţea (deci izolate faţă de împământarea sau masa reţelei).

75

Exemple reprezentative de surse autonome sunt traductoarele generatoare (care nu sunt împământate): termocupluri, traductoare electrochimice, piezoelectrice etc. şi sursele cu alimentare autonomă (de tip baterie, nealimentate din reţea).

Exemple de surse cu izolare tipice sunt transformatoarele de tensiune, generatoarele de semnal cu alimentare de la reţea prin transformator şi sursă de alimentare etc.

Masa de referinţă a unui semnal flotant trebuie să fie legată la intrarea analogică de masă a plăcii de achiziţie, pentru a stabili o referinţă pe placă pentru semnal. În caz contrar, semnalul de intrare măsurat apare ca flotant (variază).

Surse de semnal raportate la masă (ground-referenced signal source) O sursă de semnal raportată la masă (cu referinţa la masă) este o sursă conectată într-un fel

la sistemul de masă sau împământare al clădirii şi este prin urmare conectată deja la un punct comun de masă în raport cu placa de achiziţie, presupunând că sistemul de calcul este alimentat de la acelaşi sistem de alimentare (Fig. 5.10).

Fig. 5.10. Sursă de semnal raportată la masă

Sursele de semnal raportate la masă pot fi clasificate la rândul lor în surse diferenţiale şi

surse asimetrice. Sursele diferenţiale furnizează un semnal de tip tensiune prin diferenţa tensiunilor de ieşire

ale unor surse echivalente, care, raportate la masă sau împământare, controlează potenţialele punctelor de măsurare. Exemple tipice sunt punţile tensometrice şi schemele de măsurare a curentului unor consumatori alimentaţi în c.c.

Sursele asimetrice (single-ended) au unul din punctele de măsurare conectat la masă sau la împământare. Surse asimetrice sunt de exemplu consumatorii industriali pentru care se măsoară tensiunea la borne şi termocuplurile cu împământare (prin obiectul a cărui temperatură se măsoară).

Prin urmare, în categoria semnalelor provenite de la sursele raportate la masă intră ieşirile neizolate ale instrumentelor şi dispozitivelor care sunt alimentate de la reţeaua clădirii, aceeaşi cu cea care alimentează sistemul calculator-placă.

Diferenţa de potenţial între punctele de masă a două instrumente conectate la aceeaşi reţea este tipic între 1mV şi 100mV, dar poate fi mult mai mare dacă circuitele de distribuire a puterii nu sunt realizate corect. Dacă semnalul provenit de la sursa raportată la masă este măsurat incorect, această diferenţă între punctele de masă apare ca o eroare de măsurare. Pentru a evita apariţia erorilor, trebuie eliminate diferenţele de potenţial de masă, prin respectarea instrucţiunilor de conectare. 5.2.2. Configurarea intrărilor analogice După definirea tipului de semnal analogic care va fi achiziţionat şi după determinarea tipului sursei care furnizează semnalul respectiv, trebuie realizată o configurare a circuitului intrărilor analogice ale plăcii de achiziţie. Configurarea intrărilor analogice constă în setarea corespunzătoare a polarităţii, domeniului de intrare şi a tipului intrărilor analogice.

Polaritatea şi domeniul de intrare Plăcile de achiziţie oferă de regulă două posibilităţi pentru polaritatea intrărilor analogice:

intrare unipolară şi intrare bipolară. Intrarea unipolară presupune un domeniu de intrare între 0 şi Vref, unde Vref este o tensiune de referinţă pozitivă. Intrarea bipolară presupune că acest domeniu

76

este între - Vref şi + Vref. Selectarea polarităţii şi a domeniului de intrare se poate realiza prin poziţionarea unor jumpere sau prin software, în funcţie de tehnologia de realizare a hardware-ului de achiziţie.

Selectarea polarităţii sau gamei domeniului semnalului de intrare se face în funcţie de domeniul şi polaritatea semnalului efectiv care se conectează la intrările analogice ale plăcii. Un domeniu de intrare mai larg poate face posibilă conectarea la semnale cu variaţie mai mare dar se sacrifică rezoluţia (precizia). Folosind un domeniu de intrare mai îngust se creşte precizia conversiei analog-numerice, în schimb semnalul de intrare poate ieşi din domeniu, rezultând măsurări imprecise.

De exemplu, dacă semnalul de intrare este garantat că nu va fi negativ (va fi deci peste 0 V), o intrare unipolară este potrivită. Dacă semnalul poate fi negativ atunci citirea va fi eronată şi este recomandată în acest caz intrarea bipolară.

Pentru a putea creşte flexibilitatea utilizării hardware-ului, majoritatea plăcilor de achiziţie utilizează amplificări programabile software. De exemplu, placa de achiziţii AT-MIO-16H (National Instruments) are amplificări programabile de 1, 2, 4, 8 şi se pretează la semnale de nivel înalt. Placa AT-MIO-16L (National Instruments) are amplificări programabile de 1, 10, 100 şi 500 şi este proiectată să măsoare semnale de nivel scăzut.

Cu amplificarea setată în mod adecvat, întreaga rezoluţie a CAN-ului de pe placa de achiziţie poate fi folosită pentru măsurarea cât mai precisă a semnalului de intrare.

Pentru exemplificare, în Tabelul 5.1 sunt prezentate domeniile generale de intrare, precizia atinsă şi amplificarea obţinută pentru placa AT-MIO-16H. Precizia de măsurare depinde de rezoluţia CAN-ului utilizat (la placa AT-MIO-16 rezoluţia CAN-ului este de 12 biţi).

Tabelul 5.1. Domeniul efectiv de intrare şi precizia de măsurare în funcţie

de domeniul de intrare şi de amplificare

Domeniul de intrare

Amplificarea Domeniul efectiv de intrare

Precizia

0...10 V 1 2 4 8

0...10 V 0...5 V

0...2,5 V 0...1,25 V

2,44 mV 1,22 mV 610 µ V 305 µ V

-5...+5 V 1 2 4 8

-5...5 V -2,5...+2,5 V -1,25...1,25 V

-0,625...+0,625 V

2,44 mV 1,22 mV 610 µ V 305 µ V

-10...+10 V 1 2 4 8

-10...+10 V -5...+5 V

-2,5...+2,5 V -1,25...1,25 V

4,88 mV 2,44 mV 1,22 mV 610 µ V

Tipurile intrărilor analogice După setarea corespunzătoare a polarităţii şi domeniului de intrare, semnalul care trebuie

măsurat poate fi conectat la hardware-ul de achiziţie. Pentru majoritatea plăcilor de achiziţie, există trei tipuri de configurare a circuitului de intrare analogică: intrare diferenţială (DIFF – Differential input), intrare asimetrică (single-ended) cu referinţă (RSE – Referenced Single-Ended input) şi intrare asimetrică fără referinţă (NRSE – NonReferenced Single-Ended input).

Tipul configuraţiei de intrare se alege în funcţie de tipul sursei de semnal analogic, precum şi în funcţie de alte consideraţii cum ar fi lungimea cablurilor de legătură şi nivelul semnalului. Tabelul 5.2 cuprinde recomandări pentru alegerea configuraţiilor de intrare în funcţie de tipul sursei de semnal.

77

Tabelul 5.2. Configuraţii de intrare recomandate

Tipul semnalului (sursei de semnal)

Configuraţie de intrare recomandată

Raportat la masă (ieşiri neizolate, instrumente puse în aceeaşi priză)

DIFF NRSE

Flotant (baterii, termocupluri, ieşiri izolate)

DIFF cu punte de rezistoare RSE

Configuraţia de tip diferenţial Conexiunea diferenţială este aceea în care fiecare semnal analogic de intrare are propriul

semnal de referinţă sau propria cale de întoarcere a semnalului. Fiecare semnal de intrare este legat la intrarea pozitivă a amplificatorului de instrumentaţie de pe placă, iar referinţa (returul) fiecărui semnal de intrare este legată la intrarea negativă a amplificatorului de instrumentaţie. Semnalele de intrare sunt legate la amplificatorul de instrumentaţie prin intermediul multiplexorului de pe placă. Fiecare semnal de intrare foloseşte două din intrările multiplexorului - una pentru semnal şi alta pentru referinţa semnalului. Prin urmare, în cazul configuraţiei diferenţiale, semnalul de intrare nu este conectat la masă sau la împământarea sistemului. În Fig. 5.11 este prezentată o configuraţie de intrare analogică cu 8 canale diferenţiale, AIGND fiind masa circuitului de intrări analogice al plăcii.

Fig. 5.11. Configuraţie de intrare analogică diferenţială (8 canale)

Utilizarea configuraţiei de intrare diferenţiale se recomandă atunci când:

• semnalele de intrare au nivel scăzut (mai mic de 1V); • cablurile de conectare la placa de achiziţie sunt de lungime mare; • oricare din semnalele de intrare necesită puncte de referinţă de masă separate; • cablurile prin care se transmite semnalul traversează medii cu zgomote.

Conexiunile diferenţiale permit creşterea rejecţiei semnalului pe mod comun, rejecţia zgomotului şi permit variaţia semnalelor de intrare între limitele de mod comun ale intrării

78

amplificatorului de instrumentaţie. Un sistem de măsurare diferenţial ideal măsoară doar diferenţa de potenţial dintre intrarea pozitivă şi cea negativă. Orice tensiune prezentă la intrarea amplificatorului de instrumentaţie în raport cu masa este numită tensiune de mod comun, iar sistemul diferenţial ideal rejectează complet (nu măsoară) această tensiune de mod comun – a se vedea Fig. 5.12.

Fig. 5.12.

Configuraţiile de tip asimetric Conexiunile single-ended sunt acelea în care toate semnalele analogice de intrare pe placă

sunt referite la o masă comună. Semnalele de intrare sunt legate la intrarea pozitivă a amplificatorului de instrumentaţie de pe placă, iar punctele lor de masă comune sunt legate la intrarea negativă a amplificatorului de instrumentaţie.

Utilizarea conexiunilor single-ended este recomandată atunci când: • semnalele de intrare au nivel mare (mai mare de 1V); • cablurile de conectare la placa de achiziţie au lungime mică şi traversează un mediu

fără zgomote; • toate semnalele de intrare au acelaşi semnal de referinţă.

Dacă oricare din precedentele criterii nu poate fi îndeplinit, este recomandată folosirea configuraţiei DIFF.

Configuraţia RSE – intrare asimetrică cu referinţă – este folosită pentru surse de semnal flotante; în acest caz placa de achiziţie furnizează un punct de masă de referinţă pentru semnalul extern – Fig. 5.13.

Fig. 5.13. Configuraţie de intrare analogică RSE (16 canale)

Configuraţia NRSE – intrare asimetrică fără referinţă – este folosită pentru surse de semnal

raportate la masă (grounded-referenced signal sources); în acest caz, semnalul extern are propriul punct de masă de referinţă. În Fig. 5.14 este prezentată o configuraţie de intrare de tip NRSE, în care AISENSE este referinţa comună pentru măsurători, iar AIGND este masa sistemului. Toate semnalele de intrare (provenind de la surse de semnal raportate la masă) au aceeaşi referinţă comună AISENSE.

79

Fig. 5.14. Configuraţie de intrare NRSE (16 canale)

În concluzie, configuraţia diferenţială este preferabilă pentru că rejectează atât erorile de

mod comun cât şi zgomotele, dar configuraţiile asimetrice permit folosirea unui număr dublu de canale de intrare şi sunt acceptabile atunci amplitudinea erorilor este mai mică decât precizia cerută.

5.3. TEHNICI DE ACHIZIŢIE 5.3.1. Achiziţii de date mono-canal şi multi-canal. Achiziţii mono-punct şi multi-punct O placă de achiziţie poate realiza achiziţii de date pe un singur canal sau pe mai multe

canale: - achiziţie mono-canal (single-channel data acquisition) - achiziţie multi-canal (multiple-channel data acquisition) În cazul achiziţiei mono-canal se selectează un singur canal de intrare analogică şi se setează

o singură amplificare (care determină în funcţie de domeniul de intrare un domeniu efectiv de intrare – a se vedea subcapitolul de configurare a intrărilor analogice). La fiecare perioadă de eşantionare este realizată o singură conversie analog-numerică pe canalul respectiv.

În cazul achiziţiei multi-canal, placa de achiziţie scanează un set de canale de intrări analogice, fiecare cu propria sa amplificare (domeniu efectiv de intrare). În cadrul acestei metode, placa stochează o listă sub forma unei secvenţe care precizează canalele analogice care trebuie citite, precum şi amplificările setate pentru canalele respective. În timpul citirii, circuitul de intrări analogice realizează câte o conversie analog-numerică pentru fiecare canal analogic (fiecare pereche canal/amplificare) din secvenţa respectivă. Conversia analog-numerică este realizată o dată la fiecare perioadă de eşantionare. În timpul realizării conversiei analog-numerice curente, placa comută pe canalul analogic următor din secvenţă, astfel încât achiziţia să fie cât mai rapidă. Atunci când s-a ajuns la sfârşitul secvenţei, placa aşteaptă până la terminarea unui interval de citire înainte de a relua achiziţia canalelor din secvenţă. Canalele sunt citite în mod repetat la începutul fiecărui interval de citire până când numărul de eşantioane precizat de utilizator este achiziţionat.

Plăcile de achiziţie pot achiziţiona date mono-canal sau multi-canal prin utilizarea a două moduri principale de achiziţie, în funcţie de un eveniment de tip trigger, prin care se defineşte zona de interes din evoluţiile analizate:

modul posttrigger modul pretrigger

Modul posttrigger realizează achiziţia unui număr specificat de eşantioane după apariţia unui eveniment trigger, adică după recepţionarea unui semnal trigger (de sincronizare). După ce bufferul care stochează datele achiziţionate (de lungime specificată de utilizator) este plin, achiziţia este stopată.

80

În cadrul modului pretrigger datele sunt achiziţionate continuu, înainte şi după primirea unui semnal trigger. Datele sunt colectate într-un buffer precizat de utilizator până când placa recepţionează semnalul trigger. După aceasta, sistemul de achiziţie va mai colecta un număr specificat de eşantioane după care stopează achiziţia. Bufferul este tratat ca un buffer circular, adică după ce întregul buffer este completat, datele sunt stocate de la început prin suprascrierea datelor vechi. La terminarea achiziţiei, bufferul conţine eşantioane dinaintea şi după apariţia semnalului trigger. Numărul de eşantioane salvate în buffer depinde de lungimea acestuia (specificată de utilizator) şi de numărul specificat de eşantioane de achiziţionat după apariţia semnalului trigger.

Pe lângă aceste variante principale, în funcţie de firmele producătoare de sisteme de achiziţie s-au dezvoltat tehnici de achiziţie care derivă din acestea, un exemplu fiind modul de achiziţie de tip double-buffered, dezvoltat de National Instruments, care utilizează o tehnică asemănătoare cu modul pretrigger, completând bufferul specificat de utilizator în mod continuu. Spre deosebire de modul pretrigger, aici se apelează la un al doilea buffer, care preia datele vechi din primul buffer, înainte ca acestea să fie suprascrise.

Din punct de vedere al numărului de eşantioane achiziţionat de către sistemul de achiziţie

pentru o anumită aplicaţie, putem avea achiziţii mono-punct (single-point) şi achiziţii de puncte multiple (multi-point).

De exemplu, o achiziţie a unui singur eşantion, pe un singur canal (single-channel single-point) este o operaţie de achiziţie foarte simplă, care nu utilizează buffere. Software-ul de achiziţie citeşte o singură valoare (un singur eşantion) de la un canal de intrare şi furnizează imediat sistemului acea valoare. Un exemplu de astfel de achiziţie este monitorizarea periodică a nivelului unui lichid dintr-un rezervor. Traductorul, care converteşte nivelul într-o tensiune, este conectat (eventual printr-un circuit de condiţionare a semnalului) la unul dintre canalele de intrare analogică ale plăcii de achiziţie şi se iniţiază o achiziţie mono-canal mono-punct atunci când se doreşte cunoaşterea nivelului din rezervor.

Dacă sunt necesare informaţii mono-punct de la mai multe surse (de exemplu se doreşte şi cunoaşterea temperaturii lichidului din rezervor) se realizează o achiziţie mono-punct dar multi-canal (multiple-channel, single-point). Software-ul de achiziţie va executa o citire a tuturor canalelor de intrare specificate şi va furniza câte un eşantion de pe fiecare canal utilizat.

Observaţie: Achiziţia de date se poate realiza sub control software, şi atunci tactul necesar controlului vitezei de achiziţie este furnizat de către ceasul sistemului de calcul (în acest caz controlul fiind afectat de posibile întreruperi), sau atunci când este necesară o mai mare precizie, achiziţia se realizează sub controlul ceasului de pe hardware-ul de achiziţie.

Achiziţiile multiple de date (multi-point) pe un singur canal sau multi-canal se pot realiza fie prin utilizarea unei structuri software repetitive (de tip buclă) a unei achiziţii single-point, deci fără utilizarea unui buffer, care este însă o metodă consumatoare de timp şi ineficientă, sau prin utilizarea metodelor cu bufferare (single-buffer sau double-buffer). Achiziţiile multi-punct reprezintă de fapt achiziţionarea datelor ca forme de undă (waveforms) – semnale variabile în timp.

5.3.2. Modul de achiziţie/generare a datelor dublu bufferat (double-buffered) Metodele convenţionale de achiziţie a datelor care utilizează un singur buffer pentru

achiziţie (single-buffer) sunt tehnici utilizate în numeroase aplicaţii. Totuşi, în cazul aplicaţiilor complexe, care necesită achiziţionarea unor cantităţi mari de date la o viteză de achiziţie foarte mare, sunt necesare tehnici superioare de manipulare a datelor. O astfel de tehnică este bufferarea dublă a datelor, promovată de firma National Instruments şi utilizată atât pentru achiziţia cât şi pentru generarea continuă a unor cantităţi mari de date.

În cazul operaţiilor de achiziţie de tip single-buffer, un număr specificat de eşantioane este achiziţionat cu o viteză specificată şi transferat în memoria sistemului. După ce memoria tampon (bufferul) stochează datele respective, sistemul de calcul poate analiza, afişa sau stoca datele pe harddisc pentru prelucrări ulterioare. Operaţiile de generare a datelor de tip single-buffer presupun transferul unui număr fixat de eşantioane din memoria calculatorului, cu o viteză specificată. După

81

transferul datelor, bufferul poate fi actualizat cu date noi. Operaţiile single-buffer sunt simplu de implementat, au avantajul utilizării optime a vitezei hardware-ului de achiziţie şi sunt utile pentru o gamă largă de aplicaţii. Dezavantajul acestor tehnici este legat de limitarea cantităţii de date care poate fi transferate în funcţie de limita de memorie disponibilă. La operaţiile de achiziţie de tip double-buffer, memoria tampon este configurată ca un buffer circular. Placa de achiziţie completează bufferul circular cu date, iar atunci când bufferul este complet, placa se întoarce la începutul bufferului şi îl completează din nou cu date. Acest proces continuă până la întreruperea de către o eroare hardware sau până când este oprit de către software. Operaţiile de generare a datelor de tip double-buffer se desfăşoară asemănător, fiind utilizat tot un buffer circular. Spre deosebire de operaţiile single-buffer, tehnicile de tip double-buffer reutilizează acelaşi buffer şi este posibilă achiziţia sau generarea unui număr teoretic infinit de eşantioane, fără a avea o memorie de capacitate infinită. Pentru ca această metodă să fie eficientă, trebuie să existe mijloace corespunzătoare de acces la date pentru actualizarea, stocarea şi procesarea acestora.

Operaţii de achiziţie tip double-buffer Bufferul necesar pentru achiziţia de date este configurat după cum s-a afirmat ca un buffer

circular. Driverul de achiziţie împarte bufferul în două jumătăţi, permiţând coordonarea accesului la datele din buffer. Schema de coordonare a accesului este simplă, driverul copiind datele din bufferul circular în mod secvenţial, întâi prima jumătate, apoi cea de-a doua, într-un buffer suplimentar, de transfer. Datele din bufferul de transfer pot fi procesate sau stocate atunci când utilizatorul decide acest lucru. Tehnica de achiziţie este ilustrată în Fig. 5.15.

Fig. 5.15. Tehnica de achiziţie double-buffer

Operaţia de achiziţie începe atunci când hardware-ul de achiziţie începe să scrie date în

prima jumătate a bufferului circular (Fig. 5.15.a). După ce placa începe să scrie în cea de-a doua jumătate a bufferului, driverul de achiziţie copiază datele din prima jumătate în bufferul de transfer (Fig. 5.15.b). Datele din bufferul de transfer pot fi acum stocate pe harddisc sau procesate în funcţie de aplicaţie. După ce a doua jumătate a bufferului circular a fost completată, hardware-ul de achiziţie se întoarce la începutul bufferului şi începe să suprascrie date noi peste cele existente. Acum driverul de achiziţie poate să copieze cea de-a doua jumătate a bufferului circular în bufferul de transfer (Fig. 5.15.c). Datele din bufferul de transfer vor fi din nou disponibile pentru aplicaţia concretă care se desfăşoară. Procesul poate fi repetat fără întrerupere pentru producerea unui flux continuu de date pentru aplicaţia respectivă (Fig. 5.15.d este echivalentă cu Fig. 5.15.b).

82

Tehnica de achiziţie descrisă mai sus poate fi afectată de două tipuri de probleme. Prima constă în posibilitatea ca hardware-ul de achiziţie să suprascrie datele înainte ca driverul să le copieze în bufferul de transfer – Fig. 5.16.

Fig. 5.16. Tehnica de achiziţie double-buffer – suprascrierea înainte de copiere

Din Fig. 5.16 se observă că placa de achiziţie va suprascrie datele din prima jumătate a

bufferului circular înainte ca driverul să le copieze în bufferul de transfer (Fig. 5.16.a-b-c). În această situaţie, driverul de achiziţie va trebui să aştepte până când placa va termina suprascrierea datelor în prima jumătate înainte de a copia datele în bufferul de transfer. Atunci când placa începe să scrie în a doua jumătate, driverul va face transferul respectiv (Fig. 5.16.d). Driverul va trimite un mesaj avertizare de tip „suprascriere înainte de copiere”. Acest mesaj avertizează că datele din bufferul de transfer sunt valide, dar o parte din datele de intrare anterioare au fost pierdute.

A doua problemă poate apare atunci când hardware-ul de achiziţie suprascrie datele în acelaşi timp în care driverul de achiziţie le transferă în bufferul de transfer – Fig. 5.17.

Fig. 5.17. Tehnica de achiziţie double-buffer – eroarea de suprascrierea

83

Din Fig. 5.17.b-c se observă că driverul începe să copieze datele din prima jumătate a bufferului, dar nu reuşeşte să efectueze întregul transfer până când placa începe suprascrierea datelor. Prin urmare, datele care sunt copiate în bufferul de transfer sunt corupte deoarece conţin atât date vechi cât şi date noi. Driverul va trimite în această situaţie un mesaj de avertizare de tip „eroare suprascriere”.

Operaţii de generare a datelor de tip double-buffer Operaţiile de generare a datelor care folosesc tehnica double-buffer sunt asemănătoare cu

operaţiile de achiziţie double-buffer. Bufferul circular este împărţit în două jumătăţi, iar schema de coordonare este prezentată în Fig. 5.18.

Fig. 5.18. Transferul secvenţial al datelor la ieşire prin tehnica double-buffer

Operaţia de generare începe prin transferul către ieşire al datelor din prima jumătate a

bufferului circular (Fig. 5.18.a). După ce hardware-ul de achiziţie prin circuitele de ieşire începe transferul către ieşire al datelor din cea de-a doua jumătate a bufferului circular, driverul poate copia datele din bufferul de transfer în prima jumătate a bufferului circular (Fig. 5.18.b). Aplicaţia curentă poate după aceasta să actualizeze datele din bufferul de transfer. După ce circuitele de ieşire transferă datele din a doua jumătate a bufferului circular, se reia transferul spre exterior al datelor actualizate din prima jumătate. Driverul poate acum copia datele din bufferul de transfer în a doua jumătate a bufferului circular (Fig. 5.18.c). Procesul se repetă fără întrerupere şi generează un flux continuu de date (Fig. 5.18.d este echivalentă cu Fig. 5.18.b). Ca şi în cazul achiziţiei dublu bufferate, pot apare două probleme. Prima constă în posibilitatea ca hardware-ul să transfere din nou către ieşire aceleaşi date, din cauză că driverul nu a reuşit actualizarea la timp a bufferului circular cu date din bufferul de transfer – Fig. 5.19.

Din Fig. 5.19 se observă că driverul nu a copiat la timp datele din bufferul de transfer în prima jumătate a bufferului circular şi prin urmare placa începe să transfere către ieşire aceleaşi date ale primei jumătăţi a bufferului circular. Pentru a garanta transferul unor date valide, driverul aşteaptă până când se termină acest transfer din prima jumătate, Atunci când placa transferă datele din cea de-a doua jumătate, driverul realizează copierea datelor din bufferul de transfer în prima jumătate a bufferului circular (Fig. 5.19.d). Într-o astfel de situaţie, driverul de achiziţie va transmite un mesaj de avertizare de tip „suprascriere înainte de copiere”, pentru a indica faptul că placa a transferat către ieşire vechile date, fără a exista însă date corupte.

84

Fig. 5.19. Transferul la ieşire al datelor prin double-buffering – suprascriere înainte de copiere

Cea de-a doua problemă se referă la situaţia când placa transferă date către ieşire simultan

cu suprascrierea de date de către driver din bufferul de transfer în aceeaşi jumătate a bufferului circular – Fig. 5.20.

Fig. 5.20. Eroarea de suprascriere – transfer de tip double-buffer

Din Fig. 5.20.b se observă că driverul de achiziţie începe să transfere date din bufferul de

transfer în prima jumătate a bufferului circular, dar nu reuşeşte să transfere toate datele înainte ca hardware-ul să înceapă transferul datelor din această primă jumătate spre exterior (Fig. 5.20.c). În consecinţă, placa poate transfera spre exterior date corupte, alcătuite atât din datele vechi cât şi din cele noi. Driverul va transmite un mesaj de tip „eroare suprascriere”.

Observaţie: În toate cazurile prezentate, dacă respectivele probleme nu mai apar, transferurile de date se vor desfăşura în continuare în mod normal.

85

În concluzie metoda de tip double-buffer este o tehnică de achiziţie care permite achiziţia sau generarea continuă a unei cantităţi foarte mari de date în condiţiile existenţei unei memorii fizice limitate. Cu toate avantajele sale, metoda este dificil de utilizat atunci când este necesară o viteză foarte mare de achiziţie sau de generare a datelor. Mai precis, prelucrările de date specifice operaţiilor de tip double-buffer trebuie realizate cu o viteză cel puţin la fel de mare ca viteza de scriere sau de citire a datelor de către hardware-ul de achiziţie. Această viteză de procesare a datelor depinde de sistemul de calcul şi de eficienţa software-ului.

5.3.3. Controlul achiziţiilor de date cu semnale de tip trigger Achiziţiile de date pot fi startate pentru anumite aplicaţii la un anumit moment de timp, fără

o legătură directă cu evoluţia datelor respective. Pentru alte aplicaţii, este necesară setarea startului achiziţiei de date analogice la momente de timp bine precizate.

De exemplu, dacă testăm răspunsul unei instalaţii la o intrare tip (treaptă, impuls etc.), intrarea de test respectivă poate fi utilizată şi pentru startarea achiziţiei de date. În caz contrar este necesară începerea achiziţiei înainte de aplicarea intrării respective, ceea ce determină un consum nejustificat de resurse.

Prin urmare achiziţia de date poate începe în funcţie de condiţia sau starea unui semnal numeric sau analogic, utilizând o tehnică numită triggerare (declanşare). Un trigger este un eveniment care startează achiziţia datelor. Există două tipuri de triggerare: hardware şi software.

Triggerarea hardware Sincronizarea hardware permite setarea momentului de start al achiziţiei şi colectarea

datelor de la un anumit moment de timp în raport cu apariţia unui semnal trigger. Există două tipuri de triggerare hardware: numerică şi analogică.

Triggerarea numerică Un trigger numeric este de regulă un semnal de tip TTL cu două nivele discrete: nivel înalt

şi nivel jos. Atunci când semnalul trece din nivel înalt în nivel jos apare un front coborâtor (descrescător sau descendent), iar când trecerea este inversă un front crescător (ascendent). Achiziţia analogică poate fi startată la apariţia unui front crescător sau descrescător al semnalului trigger. De exemplu, în Fig. 5.21 achiziţia este startată pe frontul coborâtor al unui semnal trigger numeric.

Fig. 5.21. Semnal trigger de tip numeric

În Fig. 5.22 este prezentată o diagramă a modului de achiziţie posttrigger cu utilizarea unui

semnal trigger numeric. În acest exemplu, un dispozitiv extern trimite un trigger hardware-ului de achiziţie. Imediat după primirea semnalului şi după îndeplinirea condiţiilor de triggerare (de exemplu apariţia frontului coborâtor al semnalului), placa de achiziţie începe colectarea datelor.

Triggerarea analogică Semnalul analogic de tip trigger se conectează pe unul din canalele de intrări analogice ale

plăcii de achiziţie. Placa monitorizează canalul semnalului trigger şi aşteaptă îndeplinirea condiţiilor de triggerare. Placa poate fi configurată să aştepte îndeplinirea unei condiţii pentru semnalul trigger, cum ar fi de exemplu un anumit nivel al semnalului. După identificarea condiţiei respective care

Semnal TTL

Front descrescător

Iniţiere achiziţie date

conectat la pini de tip STARTRIG sau EXTTRIG ai conectorului I/O al plăcii de achiziţie

86

trebuie îndeplinită de către triggerul analogic, placa startează achiziţia. Pentru exemplificare, în Fig. 5.23, un trigger analogic este setat să starteze achiziţia de date pe panta crescătoare a semnalului, atunci când semnalul atinge valoarea 18 (semnalul trigger analogic poate fi de exemplu o temperatură, convertită bineînţeles într-o tensiune, dar condiţia de triggerare poate fi exprimată prin soft şi în unităţi de temperatură).

Fig. 5.22. Diagrama achiziţiei de date cu trigger numeric

Fig. 5.23. Semnal trigger de tip analogic

În Fig. 5.24 este prezentată diagrama pentru o achiziţie posttrigger cu un semnal trigger

analogic, similară cu diagrama din Fig. 5.22, corespunzătoare triggerului numeric.

Fig 5.24. Diagrama achiziţiei de date cu trigger analogic

Dispozitivextern

Hardware de achiziţie

Dispozitivextern

Hardware de achiziţie

Date analogice

Semnal trigger numeric

Hardware-ul de achiziţie aşteaptă până la îndeplinirea condiţiilor de către semnalul trigger numeric

18

0

Nivelul şi panta semnalului declanşează achiziţia datelor

Dispozitivextern

Hardware de achiziţie

Dispozitivextern

Hardware de achiziţie

Date analogice

Semnal trigger analogic

Hardware-ul de achiziţie aşteaptă până la îndeplinirea condiţiilor de către semnalul trigger analogic

87

Triggerarea software Triggerarea software presupune simularea unui trigger hardware prin utilizarea unei rutine

software. Această formă de declanşare a achiziţiei este folosită în situaţiile în care nu sunt disponibile semnale trigger hardware.

Hardware-ul de achiziţie este setat să colecteze date, dar nu le returnează decât atunci când datele respective îndeplinesc condiţiile de recuperare (conditional retrieval - triggerul software). Software-ul de achiziţie scanează datele şi realizează o comparaţie a acestora cu condiţiile de triggerare, dar nu stochează datele decât atunci când acestea îndeplinesc specificaţiile cerute.

În Fig. 5.25 este prezentată o diagramă a evenimentelor care apar în cazul unei triggerări software. Pointerul de poziţionare citire/căutare parcurge bufferul până când găseşte locaţia la care datele îndeplinesc condiţiile de triggerare. Offsetul indică locaţia de la care software-ul începe citirea datelor în raport cu poziţia de citire/căutare. Un offset negativ indică necesitatea unei achiziţii de tip pretrigger (achiziţie înainte de îndeplinirea condiţiilor de triggerare), iar dacă este pozitiv o achiziţie de tip posttrigger (achiziţie după îndeplinirea condiţiilor de triggerare).

Fig. 5.25. Diagrama unei achiziţii de date cu triggerare software

88

5.3.4. Controlul vitezei de achiziţie a datelor Hardware-ul de achiziţie utilizează de regulă numărătoarele interne (de pe placă) pentru a

controla viteza (frecvenţa) de achiziţie a datelor. În anumite aplicaţii, atunci când este necesară achiziţia datelor cu o viteză care depinde de anumite semnale din exterior (de exemplu frecvenţa unui semnal extern), controlul vitezei de achiziţie se realizează cu o sursă exterioară.

Pentru a înţelege modul în care este controlată viteza de achiziţie a datelor, este necesară definirea unor termeni.

Prin citire sau scanare (scan) se înţelege o singură citire a fiecărui canal de intrare din lista de canale specificată de utilizator (care poate cuprinde o parte sau toate canalele de intrare analogică ale plăcii, fiecare canal având setată o anumită amplificare). Se poate spune că o scanare reprezintă achiziţia a câte unui eşantion (punct) de la fiecare canal din listă. Prin urmare, numărul de scanări ne spune câte achiziţii sau citiri se efectuează pentru fiecare canal din lista specificată.

Viteza de scanare, denumită şi frecvenţă sau rată de citire (scan rate), determină de câte ori pe secundă sunt achiziţionate date de la canalele de intrare. De exemplu, scanarea canalelor de intrare cu o rată de 10 scanări pe secundă semnifică faptul că sunt luate 10 eşantioane la fiecare secundă de la toate canalele de intrare din lista specificată. Modul de citire este următorul: întâi se achiziţionează primul eşantion de la primul canal, apoi primul eşantion de la cel de-al doilea canal etc., după parcurgerea canalelor din listă se trece la cel de-al doilea eşantion de la primul canal etc. Cu alte cuvinte, rata de scanare reprezintă numărul de scanări pe secundă, iar inversul acestei rate este intervalul de scanare sau de citire (care este de 0.1 secunde pentru exemplul anterior). Un semnal de tact (intern - de pe placă - sau extern), numit tact sau ceas de scanare (scan clock) fixează mărimea ratei de scanare, care controlează intervalul de scanare. Intervalul de timp între achiziţiile de la două canale consecutive poartă numele de interval sau perioadă inter-canal (channel interval sau channel skew), inversa acestui interval fiind rata inter-canal. Trecerea de la un canal la altul în cadrul unei scanări se face prin urmare într-un interval de timp mai mic decât intervalul de scanare, iar semnalul de ceas care guvernează trecerea de la un canal la altul poartă numele de tact de canal (channel clock). În Fig. 5.26 este prezentată relaţia dintre intervalul de scanare şi intervalul inter-canal pentru o achiziţie multi-canal cu 4 canale de intrare în lista de achiziţie (din cele 8 canale ale plăcii, de exemplu).

Unele dintre echipamentele de achiziţie dispun atât de semnal de ceas de scanare cât şi de ceas de canal (Fig. 5.27), în timp ce alte echipamente utilizează doar semnalul de ceas de canal (Fig. 5.28), în acest caz fiind vorba de o scanare repetitivă la intervale egale, numită scanare round-robin. Trebuie precizat că în cazul echipamentelor de achiziţie cu ambele semnale de ceas, micşorarea ratei de scanare nu duce şi la modificarea ratei inter-canal.

Fig. 5.26. Intervalul de scanare şi intervalul inter-canal

Canalul 0

Canalul 1

Canalul 2

Canalul 3

Citirea nr. 1 (Scan 1)

Citirea nr. 2 (Scan 2)

Citirea nr. n (Scan n)

Interval de scanare (echivalentul perioadei de eşantionarepentru semnalul de pe canalul 0)

Interval inter-canal

Canale de intrare analogică

Timp

89

Fig. 5.27. Intervalele de scanare şi inter-canal pentru echipamente cu scan clock şi channel clock

Fig. 5.28. Scanarea de tip round-robin (echipamente cu channel clock)

Software-ul de achiziţie este regulă orientat pe semnalul de ceas de scanare, în sensul că o

dată selectată o valoare pentru frecvenţa de scanare, software-ul selectează în mod automat rata inter-canal (un exemplu în acest sens este LabVIEW).

Observaţie: Tehnica de scanare prezentată în Fig. 5.26 este tipică pentru eşantionarea secvenţială din cadrul structurilor de achiziţie cu multiplexare temporală. Dacă echipamentul de achiziţie este de tip sincron sau rapid, adică dacă eşantionarea este simultană (simultaneous sample and hold - SS/H), nu mai există intervale inter-canal, iar hardware-ul eşantionează simultan toate semnalele de intrare din lista de canale specificată (Fig. 5.29).

Fig. 5.29. Achiziţia în cazul eşantionării simultane

Controlul frecvenţei de achiziţie se realizează prin folosirea semnalelor de ceas de scanare şi de canal. Aceste semnale de ceas pot fi furnizate de către placa de achiziţie sau de către dispozitive externe – semnale de la proces sau de la alte echipamente, cum ar fi de exemplu o altă placă de achiziţie.

Semnalele externe de ceas de canal (channel clock) sau de ceas de scanare (scan clock) trebuie să fie de tip TTL şi sunt furnizate plăcii de achiziţie prin intermediul conectorului I/O pe pini de tip ExtConv sau ExtScanClock. Pot fi utilizate semnale externe de tact channel clock, sau scan clock sau ambele, în funcţie de aplicaţie şi de tipul hardware-ului de achiziţie (de exemplu plăcile de achiziţie care nu au semnal de tact scan clock intern nu acceptă nici semnal scan clock extern – a se vedea scanarea round-robin).

Dacă se utilizează semnale de tact externe, trebuie realizată setarea corespunzătoare în software-ul de achiziţie. În cazul utilizării simultane a semnalelor externe de tip scan clock şi channel clock, trebuie realizată o dimensionarea corectă a ratelor de scanare şi inter-canal şi implicit a intervalelor de scanare şi inter-canal.

Interval inter-canal Interval scanare

Canal

Interval inter-canal

Canal

Canalul 0

Canalul 1

Canalul 2

Canalul 3

Citirea nr. 1 (Scan 1)

Citirea nr. 2 (Scan 2)

Citirea nr. n (Scan n)

Interval de scanare (echivalentul perioadei de eşantionare)

Canale de intrare analogică

Timp

90

5.4. IEŞIRI ANALOGICE 5.4.1. Configurarea ieşirilor analogice În mod asemănător cu intrările analogice, se poate realiza o configurare a ieşirilor analogice

ale unei plăci de achiziţie. Configurarea ieşirilor analogice constă în setarea corespunzătoare a domeniului şi polarităţii ieşirii, a semnalului de referinţă pentru CNA şi a modului de codificare a datelor.

Selectarea semnalului de referinţă pentru CNA Convertoarele numeric-analogice de pe o placă de achiziţie pot fi conectate la referinţa

internă Vref a plăcii de achiziţie sau la un semnal de referinţă extern, care trebuie să fie cuprins între - Vref ...+ Vref .

Conectarea la referinţa externă se realizează prin legarea acestui semnal de referinţă la un pin de tip EXTREF de pe conectorul I/O al plăcii de achiziţie. Selectarea semnalului de referinţă externă pentru fiecare canal analogic de ieşire se realizează cu ajutorul jumperelor şi/sau software, în funcţie de tipul plăcii de achiziţie.

Selectarea polarităţii ieşirii analogice

Fiecare canal de ieşire analogică poate fi configurat fie ca unipolar fie ca bipolar. O configuraţie unipolară are gamă de variaţie între 0 şi Vref . O configuraţie bipolară are o gamă de variaţie între –Vref şi +Vref. Vref este tensiunea de referinţă folosită de CNA şi poate fi fie tensiunea internă de referinţă a plăcii fie o referinţă furnizată extern. De regulă, nu este necesar ca toate canalele de ieşire să fie configurate identic.

Selectarea codificării datelor Pentru codificarea datelor se pot utiliza codurile prezentate pe larg într-un capitol anterior.

Spre exemplificare, placa AT-MIO-16H a firmei National Instruments poate utiliza fie codul binar natural, fie codul complement faţă de doi. Pentru codul binar natural, valoarea datelor scrise la canalul analogic de ieşire este în domeniul 0 până la 4.095 zecimal (0 - 0FFF H). În cazul utilizării codului complement faţă de doi, valoarea datelor scrise la canalul analogic de ieşire este în domeniul -2.048 până la 2.047 zecimal (F800 H - 07FF H). Selectarea codului utilizat se realizează prin intermediul unor jumpere. Codul binar natural este folosit de regulă pentru ieşiri unipolare, iar codul complement faţă de doi pentru ieşiri bipolare.

5.4.2. Generarea datelor pe ieşirile analogice Sistemele de achiziţie şi conducere necesită pentru conducerea unor procese nu numai

achiziţia (măsurarea) datelor de la proces, ci şi generarea unor semnale de comandă analogice către elementele de execuţie. Aceste semnale generate pe ieşirile analogice ale plăcii de achiziţie pot fi semnale staţionare, semnale lent variabile sau rapid variabile în timp, în funcţie de aplicaţia de proces respectivă. Atunci când pentru o anumită aplicaţie nivelul semnalului generat la ieşire este mai important decât viteza de variaţie a semnalului respectiv, este necesară generarea unei valori staţionare, de tip c.c. Pentru o astfel de aplicaţie se poate utiliza o generare de tip mono-punct (similar cu achiziţia mono-punct descrisă în subcapitolul anterior).

În alte aplicaţii, frecvenţa cu care este actualizată valoarea de la ieşirea analogică este la fel de importantă ca şi nivelul semnalului. În aceste situaţii, este utilizată o generare multi-punct bufferată de date, numită şi generare de forme de undă (waveform generation). O astfel de generare este folosită în aplicaţii de tip generator de semnal. Pentru generarea formelor de undă se poate folosi tehnica de tip simple-buffer sau cea double-buffer, descrisă în subcapitolul anterior.

Pentru plăcile cu mai multe canale de ieşiri analogice, generarea datelor, indiferent dacă este mono-punct sau formă de undă se poate realiza mono-canal sau multi-canal, în funcţie de cerinţele aplicaţiei de conducere.

91

Hardware-ul de achiziţie utilizează numărătoarele interne pentru controlul frecvenţei de actualizare (update rate) a datelor analogice la ieşire. În anumite situaţii, când generarea datelor depinde de starea unui dispozitiv extern, este necesară o sursă externă pentru controlul frecvenţei de actualizare (generare). Ca şi în cazul controlului frecvenţei de achiziţie, există un semnal de tact numit semnal de ceas de actualizare (update clock). Acest semnal de tact controlează frecvenţa de actualizare, adică frecvenţa cu care se realizează conversiile numeric-analogice. Pentru controlul extern al acestei frecvenţe, trebuie furnizat un astfel de semnal de tact de tip TTL din exterior, pe unul din pinii conectorului I/O al plăcii de achiziţie.

Observaţie: Sistemele de achiziţie şi conducere operează în cazul unor aplicaţii cu achiziţia şi generarea simultană multi-punct (Simultaneous Buffered Waveform Acquisition and Generation) pe aceeaşi platformă hardware. Achiziţia şi generarea simultană a formelor de undă se realizează prin utilizarea de semnale de trigger software sau hardware (a se vedea subcapitolul precedent). 5.5. INTRĂRI/IEŞIRI NUMERICE

Intrările şi ieşirile numerice de pe o placă de achiziţie sunt des utilizate în conducerea proceselor şi în generarea de semnale pentru testarea şi comunicarea cu echipamente periferice. Circuitele de intrări/ieşiri numerice ale unei plăci acceptă sau generează semnale binare de tip on/off, de regulă 5 V/ 0 V.

Liniile numerice sunt grupate în porturi, iar numărul de linii numerice pe port depinde de tipul hardware-ului de achiziţie, de regulă 4 sau 8 linii/port (Fig. 5.30). Prin scrierea sau citirea unui port, se pot seta sau salva stările mai multor linii numerice.

Fig. 5.30. Linii şi porturi numerice

Tehnicile de achiziţie/generare a datelor numerice pot fi de două tipuri: statice (no-handshaking) şi handshaked (latched).

În cazul intrărilor/ieşirilor numerice de tip static, sistemul de achiziţie actualizează liniile numerice imediat după apelul unor rutine software. Prin urmare, se realizează un transfer simplu al datelor către un port de ieşire (scriere) sau dinspre un port de intrare (citire). Aplicaţii tipice de transfer no-handshaking sunt controlul releelor şi monitorizarea stărilor unor alarme (în general aplicaţii de conducere şi monitorizare a proceselor).

În modul handshaking („strângere de mână”), echipamentul acceptă transferul de date imediat după ce un semnal a fost recepţionat. Un port numeric I/O preia datele de la intrare atunci când recepţionează un semnal handshake sau generează un semnal handshake atunci când sunt scrise date la ieşire. Astfel, se poate citi starea unui port sau unui grup de porturi pentru a determina dacă un dispozitiv extern a acceptat datele scrise la un port de ieşire sau dacă a trimis date la un port de intrare. La rândul său, transferul handshaking poate fi fără bufferare sau cu bufferare. Trebuie precizat faptul că nu toate echipamentele de achiziţie acceptă modul handshaking. Aplicaţiile de comunicaţii de date (cum ar fi transferul de date între calculatoare) utilizează de regulă modul handshaking. Modul handshaking permite sincronizarea transferului de date numerice între

Linii de ieşire

Linii de intrare

Port de ieşire

Port de intrare

Placă de achiziţie

Registru

Registru

92

hardware-ul de achiziţie şi diverse instrumente. De exemplu, dacă se doreşte achiziţionarea unei imagini de la un scanner, etapele parcurse sunt următoarele:

1. Scannerul trimite un impuls către hardware-ul de achiziţie după ce imaginea a fost scanată şi este gata să transfere datele.

2. Hardware-ul de achiziţie citeşte liniile numerice (8, 16, 32 de biţi …). 3. Hardware-ul de achiziţie trimite un semnal la scanner pentru a-l înştiinţa că liniile numerice

au fost citite. 4. Scannerul trimite un alt semnal (impuls) imediat ce este gata să trimită alte date pe liniile

numerice. 5. După ce hardware-ul de achiziţie recepţionează semnalul de la scanner, citeşte datele. 6. Procesul se repetă până când toate datele au fost transferate.

Pentru exemplificarea modului de organizare a intrărilor/ieşirilor numerice, în continuare este prezentată configuraţia intrărilor/ieşirilor numerice la o placă de tip AT-MIO-16 National Instruments. Placa AT-MIO-16 dispune de opt linii numerice intrare/ieşire. Acestea sunt divizate în două porturi de câte 4 linii fiecare, localizate la pinii ADIO 3…0 şi BDIO 3…0 ai conectorului I/O al plăcii (ADIO – Digital Input/Output A, iar BDIO – Digital Input/Output B). În Fig. 5.31 este prezentată schema bloc a circuitului de intrări/ieşiri numerice. Porturile numerice ale plăcii operează numai în mod no-handshaking.

Circuitul de intrări/ieşiri numerice conţine un Registru de Ieşiri Numerice DOR care controlează ieşirile numerice şi un Registru de Intrări Numerice DIR care monitorizează intrările numerice.

Registrul DOR (Digital Output Register) este un registru pe 8 biţi care conţine valorile numerice de ieşire atât pentru portul 0 cât şi pentru portul 1. Atunci când portul 0 este activat, biţii 3…0 din DOR sunt trimişi către liniile numerice ADIO 3…0. Atunci când portul 1 este activat, biţii 7…4 din DOR sunt transmişi către liniile numerice BDIO 3…0.

Prin citirea registrului DIR (Digital Input Register) se citeşte de fapt starea liniilor numerice I/O. Liniile numerice ADIO 3…0 furnizează biţii 3…0 ai DIR, iar liniile numerice BDIO 3…0 furnizează biţii 7…4 ai DIR. Atunci când un port (A sau B) este activat, DIR serveşte ca un registru read-back, returnând valoarea numerică a portului respectiv. Atunci când un port nu este activat, DIR returnează starea liniilor numerice I/O furnizată de un dispozitiv extern.

Fig. 5.31. Circuitul de intrări/ieşiri numerice la placa AT-MIO-16

93

5.6. EXEMPLE DE PLĂCI DE ACHIZIŢIE 5.6.1. Placa didactică de achiziţie ARTAN PC+

ARTAN PC+ (Systeme d’aide a la conception et au reglage de regulateurs) este o placă de achiziţie şi de conducere produsă de firma franceză Alliance Automatisme, Franţa. Deşi placa este proiectată în special pentru scopuri didactice, permite cuplarea unui calculator numeric obişnuit (PC) cu un proces, în scopul conducerii acestuia. Astfel, în afara realizării unor simulări, utilizarea plăcii şi softului aferent transformă calculatorul în care a fost montată într-un calculator de proces. Deşi performanţele acestei plăci sunt inferioare unei plăci profesionale, studiul sistemului ARTAN şi al aplicaţiilor posibile este deosebit de util pentru studenţi, care pot aplica cunoştinţele astfel dobândite la sisteme profesionale. În continuare vom analiza pe scurt placa ARTAN PC+ şi facilităţile acesteia, menţionând că o descriere detaliată se găseşte în [Sisteme de reglare automată. Lucrări practice I, C. Marin şi colectivul, Ed. SITECH, Craiova, 1997], precum şi în manualul de utilizare editat de firma constructoare, pe baza cărora este realizată descrierea care urmează.

În esenţă, placa ARTAN şi softul aferent reprezintă un sistem care permite conceperea şi testarea buclelor de reglare, în timp real.

Principalele funcţii asigurate de ARTAN sunt: a). Simularea buclei complete: proces + regulator (ARTAN-PC); b). Simularea numai a regulatorului, procesul fiind real (ARTAN-PC+), situaţie corespunzătoare calculatorului de proces; c). Simularea numai a procesului, regulatorul fiind exterior (ARTAN-PC+). Aceste posibilităţi de utilizare a ARTAN sunt ilustrate în Fig. 5.32. Regulatoarele utilizate în simulare sau la conducerea proceselor sunt fie de tip continuu fie cu eşantionare (discrete).

Procesele pot fi simulate fie continuu fie prin eşantionare (discretizare), schemele utilizate de ARTAN fiind prezentate în Fig. 5.33. Prima schemă este cea clasică a unui sistem de reglare convenţională, cu )(sH R funcţia de transfer a regulatorului, )(sHF funcţia de transfer a părţii fixe, v referinţa, y ieşirea din proces (mărimea reglată), u comanda şi p perturbaţia. Spre deosebire de prima schemă continuală, celelalte două reprezintă schema unui sistem de reglare discret, respectiv schema unui sistem de reglare hibrid, în care regulatorul este discret şi procesul este continual. În această ultimă schemă, )(0 sHe este funcţia de transfer a extrapolatorului de ordin zero, celelalte fiind funcţii de transfer în domeniul complex z sau în domeniul complex s.

Fig. 5.32.

94

Fig. 5.33.

ARTAN permite observarea comportamentului unui tip de regulator într-un proces dat,

observarea efectului saturaţiei mărimii de comandă, schimbarea parametrilor legii de reglare, a tipului regulatorului, aprecierea stabilităţii sale, a robusteţei la dezacordarea regulatorului faţă de proces. Sistemul ARTAN este prevăzut şi cu facilitatea de ‘reglare manuală‘, deoarece se poate ’deschide’ bucla şi se poate simula sau se poate obţine în cazul conducerii reale răspunsul procesului la comenzile date manual de operator. Posibilităţile de utilizare b). şi c). arată că sistemul PC + ARTAN permite prin intermediul intrărilor/ieşirilor analogice conectarea la lumea reală.

Structuri hardware Sistemul ARTAN constă după cum am precizat dintr-o placă de achiziţie hard care se introduce într-un calculator IBM PC, şi un software aferent. ARTAN acceptă mai multe configuraţii care sunt definite prin intermediul unui program de instalare (INSTAL).

Aceste opţiuni sunt: 1). Coprocesorul matematic - poate fi instalat sau nu în calculator. Dacă este instalat,

perioada minimă de eşantionare în timp real este de 25 ms, dacă nu, este de 200 ms. 2). Placa video (grafică) monocromă sau color.

ARTAN funcţionează cu una din următoarele plăci: - IBM CGA 640x200 color; - IBM EGA 640x350 color; - IBM VGA 640x480 color; - HERCULES 720x350 monocrom; etc. Firma constructoare pune la dispoziţia utilizatorului următoarele versiuni ARTAN: - o placă pentru ARTAN-PC; - o placă ce conţine în plus intrări/ieşiri analogice pentru ARTAN-PC+ Conectarea intrărilor / ieşirilor analogice (versiunea PC+) se face conform configuraţiilor

prezentate în tabelele următoare: CONFIGURAŢII POSIBILE

Model X X X X Proces real X X X Perturbaţie internă X X X X Perturbaţie externă X X X Comandă internă X X X X Comandă externă X X X

CONEXIUNI

Intrare analogică - 0 V P P Y Y Y Intrare analogică - 1 U U U P Ieşire analogică - 0 U P U U U Ieşire analogică - 1 Y Y Y Y P P

95

Pentru punerea în funcţiune a ARTAN, trebuie în primul rând realizată configurarea sistemului. Configurarea se face o singură dată şi ea va fi salvată în fişierul INSTAL.DAT. Pentru definirea acestei configuraţii trebuie executat fişierul INSTAL.EXE şi urmate indicaţiile din meniu. Adresele funcţiilor de tact şi intrărilor/ieşirilor analogice sunt implicit 768 conform configuraţiei ‘industriale’ (de fabricaţie).

Programul executabil propriu-zis este lansat de fişierul de comandă ARTAN.EXE. Valorile numerice implicite sunt în fişierul INIT.DAT, dar acest fişier nu poate fi manipulat direct de operator.

Configurarea plăcii de tact este necesară pentru o bună funcţionare a programului ARTAN. Placa de tact trebuie implantată într-un slot din PC; ea este configurată să funcţioneze începând cu adresa 300H (768 în zecimal) până la 317H. Dacă o altă placă utilizează deja această adresă, ea poate fi modificată cu ajutorul a cinci jumpere (ştrapuri) de adresă (A5 - A9). Prezenţa unui ştrap în An semnifică An=0. De exemplu A9=29=512; A8=28=256; ....... . Configurarea ‘industrială’ este A9=A8=1, corespunzător adresei: A9+A8= 512 + 256 = 768 = 300H.

Placa de tact este prezentată schematic în Fig. 5.34. Placa de achiziţie (intrări şi ieşiri analogice) conţine:

-patru intrări analogice care pot funcţiona între 0-10V sau 4-20mA, fiecare putând fi configurată independent; -patru ieşiri analogice în tensiune 0-10 V şi în curent 4-20 mA. Această placă include în versiunea ARTAN PC+ şi partea de tact. Ea este livrată pentru a funcţiona de la adresa 300H până la 317H, putând fi configurată de utilizator la o altă adresă.

Racordarea şi configurarea plăcii de achiziţie este prezentată în Fig. 5.35.

Fig. 5.34. Placa de tact

Posibilităţi de configurare. Descriere software Posibilităţile de simulare pe care le oferă ARTAN rezultă din configuraţiile de utilizare (a),

(b), (c), prezentate la începutul subcapitolului. Este evident că în funcţie de modul de lucru, unele din blocurile sistemului de conducere automată nu vor fi simulate, fiind blocuri reale, exterioare sistemului.

Cele două elemente principale ale sistemului de reglare automată sunt procesul (privit ca parte fixă) şi regulatorul. Structura sistemului de reglare cu ARTAN PC+ este prezentată în Fig. 5.36.

96

Fig. 5.35. Placa de intrare/ieşire

Fig. 5.36.

Procesul simulat include dinamica Y/U (comandă U - ieşire Y) (procesul propriu-zis),

dinamica traductorului, elementul de execuţie, precum şi dinamica Y/P (perturbaţie P - ieşire Y). Elementul de execuţie:

Se pot simula patru tipuri de caracteristici statice, şi anume: -liniară -neliniară -cu histerezis -tot sau nimic cu histerezis

97

Dacă există şi o dinamică a elementului de execuţie, atunci aceasta este conţinută în blocul de dinamică Y/U.

Dinamica Y/U (Intrare/Ieşire): Este un bloc liniar care reprezintă comportarea intrare-ieşire. Acest model este reprezentat

sub forma unei funcţiei de transfer continue sau discrete. În domeniul continuu, se pot simula sisteme: -de ordinul I -de ordinul II, de tipul:

-ordinul I + integrator -ordinul II aperiodic -ordinul II oscilant

-de ordinul III, eventual cu un zero care permite reprezentarea sistemelor cu fază neminimă. În discret, putem simula orice funcţie de transfer până la ordinul şase. Toate aceste funcţii pot fi, în plus, cu element de întârziere. Este bine cunoscut faptul că

funcţiile de transfer continue pot fi introduse, după calcule, sub forma discretizată (eşantionată). În acest caz, calculele necesare nu sunt întotdeauna simple. Menţionăm că ARTAN poate da echivalentul în z al acestor funcţii de transfer continue asociate cu un extrapolator de ordinul zero.

Intrarea acestor modele este semnalul U care poate fi: -ieşirea unui regulator într-o buclă închisă simulată în totalitate; -furnizat de operator (treaptă, rampă) în circuit deschis; -furnizat de un regulator analogic exterior.

Dinamica Y/P (Perturbaţie/Ieşire): Posibilităţile sunt aceleaşi ca în cazul dinamicii Y/U, dar alegerea este independentă.

Perturbaţia este reprezentată (echivalată) la ieşire, dar printr-o alegere adecvată se poate simula o perturbaţie la intrarea în proces.

Perturbaţia P poate fi: -deterministă (treaptă, rampă) furnizată de operator -aleatoare: secvenţă binară, pseudo aleatoare, generată de program -externă: provenită de la un generator de semnal exterior

Regulatorul. Sunt disponibile cinci tipuri de regulatoare. Pentru lucrul în domeniul continuu, acestea se limitează la clasicul PID care este considerat aici în forma sa paralelă, şi la o variantă a acestui regulator în care acţiunea derivatei nu acţionează decât asupra măsurii evitând şocurile la schimbarea rapidă a referinţei.

Pentru domeniul discret, există trei tipuri de regulatoare (PIR, Z, RST) în plus faţă de echivalentele discretizate ale celor două PID continue (la care discretizarea nu aduce nici o posibilitate suplimentară).

Acelaşi tip de abordare este realizabilă pentru sisteme de ordin superior dar nu există o implementare explicită. Trebuie în acest caz să utilizăm o formă generală de regulator în z, până la ordinul şapte. Acest regulator calculează comanda la momentul k în funcţie de comenzile precedente şi de eroarea la momentul k şi momentele precedente. Permite calcularea regulatoarelor, pentru anumite tipuri de procese, dând performanţe mai bune decât un simplu PID, chiar discretizat. Dar, datorită structurii sale, acest regulator impune un compromis între performanţele obţinute în regim de urmărire şi cele obţinute în regim de reglare.

Pentru aceasta s-a introdus forma RST (a se vedea Fig. 5.37), mai generală, care permite fixarea comportamentului în regim de urmărire independent de comportamentul în regim de reglare. Acest regulator are particularitatea de a lucra nu numai pe eşantioanele prezente şi trecute ale erorii dintre referinţă şi măsură, ci şi pe eşantioanele referinţei şi măsurii.

Pentru studiul legilor de reglare tipizate, se poate realiza o simulare a regulatorului singur, neconectat la un proces. Această posibilitate nu este explicită, dar se poate obţine uşor anulând amplificarea sistemului reglat.

98

Forma în z Forma RST HR (z) este o fracţie R,S,T sunt polinoame în z. raţională în z Dacă R=T regăsim forma în z cu

HR=R/S=T/S Fig. 5.37.

Descriere software ARTAN se prezintă sub forma unui ansamblu de pagini-ecran grafice şi alfanumerice, ca de

exemplu: P1 - introducere P2 - descriere şi posibilităţi de funcţionare P3 - configurare P4 - valori numerice P5 - simulare + prelucrare P6 - comparare P7 - zoom şi analiză

Detalii privind descrierea paginilor ecran şi a softului se găsesc în manualul de utilizare, precum şi în [Sisteme de reglare automată. Lucrări practice I, C. Marin şi colectivul, Ed. SITECH, Craiova, 1997], unde este prezentată într-o anexă şi o traducere a manualului de utilizare.

Dialogul operator-sistem se face cu ajutorul tastelor de funcţii F1 la F10, inclusiv pentru introducerea valorilor numerice. Funcţiile F1, F2 şi F10 se găsesc pe mai multe pagini, utilizarea lor fiind tot timpul aceeaşi.

99

5.6.2. Placa de achiziţie AT-MIO-16 (National Instruments)

În Fig. 5.38 este prezentată structura generală a unei plăci de achiziţie AT-MIO-16 a firmei National Instruments. Prelucrarea datelor numerice precum şi gestionarea interfeţelor de intrări/ieşiri analogice/numerice se face sub controlul pachetelor de programe LabVIEW ale aceleiaşi firme şi al software-ului (driver) NI-DAQ (National Instruments – Data Acquisition) pentru DOS/ Windows/ LabWindows. Placa de achiziţii AT-MIO-16 poate fi folosită cu LabVIEW pentru Windows sau LabWindows pentru DOS, programe inovative ce conţin software pentru dezvoltare de aplicaţii bazate pe această placă de achiziţii. În timp ce LabVIEW foloseşte programarea grafică, LabWindows măreşte capacităţile programelor Microsoft C şi QuickBASIC. Ambele pachete conţin biblioteci extinse pentru achiziţia datelor, controlul instrumentaţiei, analiza datelor şi reprezentarea grafică a datelor.

Fig. 5.38. Structura generală a unei plăci de achiziţie tip AT-MIO-16

În Fig. 5.38, DI sunt dispozitive de intrare (achiziţie) care cuprind intrări numerice de la traductoare sau senzori de semnale numerice şi intrări analogice dotate cu convertor analog-numeric (CAN) de la traductoarele sau senzorii de semnale analogice. DO sunt dispozitive de ieşire care cuprind ieşiri numerice pentru acţionări numerice sau semnalizări şi ieşiri analogice dotate cu convertoare numeric-analogice (CNA) pentru comenzile analogice. PC reprezintă calculatorul personal în care se introduce placa de achiziţie, calculator pe care este instalat LabVIEW, iar IU reprezintă interfaţa utilizator.

În afara legăturilor directe cu procesul fizic ce trebuie condus, este necesară existenţa unor legături numerice cu alte sisteme, fie sisteme de aceeaşi natură (cum ar fi cazul sistemelor de conducere distribuite în care se face legătura informaţională între calculatoarele de proces), fie cu instrumente de măsură (osciloscoape, voltmetre numerice etc.) sau regulatoare numerice. Aceste legături numerice sunt standardizate, placa fiind prevăzută cu două tipuri: legături seriale RS 232C şi legături paralele IEEE 488. Placa AT-MIO-16 poate fi conectată la sistemul SCXI (Signal Conditioning eXtension for Instrumentation), bazat pe module care permit achiziţia a peste 3000 de tipuri de semnale analogice de la termocupluri, termorezistenţe, surse de curent, de tensiune etc. precum şi achiziţia/generarea de semnale numerice de comunicaţie şi control.

Placa AT-MIO-16 asigură tipurile specifice de funcţii ale unei plăci de achiziţie: intrări analogice, ieşiri analogice, intrări/ieşiri numerice, temporizare (generare de interval de timp) şi numărare. Placa de achiziţie AT-MIO-16 se conectează pe placa de bază a unui calculator personal. În Fig. 5.39 este prezentată varianta compatibilă PC-AT (Advanced Technology).

100

Fig. 5.39. Schema bloc a plăcii de achiziţie AT-MIO-16

Placa de achiziţie comunică cu placa de bază a calculatorului prin intermediul Canalului I/O

pentru PC/AT. Circuitul de interfaţă constă dintr-o magistrală de adresă de 24 de biţi, o magistrală de date de 16 biţi, o magistrală de arbitrare a accesului direct la memorie (DMA), linii de întrerupere şi câteva semnale de comandă şi control. RTSI Bus este magistrala RTSI (Real-Time System Integration) cu care se pot interfaţa toate plăcile din seria National Instruments AT. Interfaţa pentru magistrala RTSI are 7 linii trigger şi o linie pentru ceasul de sistem şi permite utilizarea mai multor plăci NI din seria AT în acelaşi PC, plăci care partajează semnalele de pe această magistrală. Intrările analogice şi circuitele de achiziţie de date manevrează până la 16 canale de intrări analogice cu amplificare programabilă software şi un CAN pe 12 biţi. Suplimentar, AT-MIO-16 conţine circuite de achiziţie a datelor pentru generarea semnalelor de timp pentru conversiile analog-numerice multiple şi alte opţiuni avansate. Circuitul pentru intrări analogice constă dintr-un multiplexor de intrare, circuit de selecţie a modului de multiplexare (16 intrări asimetrice – single-ended – sau 8 diferenţiale), un amplificator de instrumentaţie cu amplificare programabilă, un circuit de eşantionare şi reţinere pentru implementarea unui CAN pe 12 biţi şi o stivă FIFO (First In First Out) de 16 cuvinte pe 16 biţi care stochează rezultatele conversiei. CAN este cu aproximări succesive şi suportă la intrare 3 game de tensiuni: bipolare, cu valori între -10V...10V, -5V...5V şi unipolară între 0V...+10V. Convertorul analog-numeric este disponibil în două variante diferite în raport cu timpul maxim de conversie: 25 µ sec sau 9 µ sec. Achiziţia de date se poate face pe un singur canal sau pe mai multe canale, când avem de-a face cu aşa numita achiziţie de date scanată. Ratele (frecvenţele) maxime de achiziţie depind de performanţele CAN şi sunt de 100.000 eşantioane/secundă pentru CAN cu timp maxim de conversie de 9 µ sec sau de 40.000 eşantioane/secundă pentru CAN de 25 µ sec.

Fiecare placă de achiziţie din seria AT-MIO-16 are un nume diferit care scoate în evidenţă principalele caracteristici constructive. Astfel, avem 4 variante cu numele de AT-MIO-16L/H-9/25. Codificarea L/H se referă la amplificările programabile pe partea de intrări analogice: cele codificate cu H (High) sunt prevăzute cu amplificare programabilă setată la 1, 2, 4 sau 8 iar cele codificate L (Low) sunt prevăzute cu amplificări de 1, 10, 100 sau 500 de ori şi pot fi utilizate la achiziţia de semnal de nivel scăzut. Codificarea 9/25 se referă la timpul maxim de conversie al CAN şi anume 9 sau 25 µ sec. În ceea ce priveşte Circuitul ieşirilor analogice, placa este prevăzută cu două canale de conversie numeric-analogică pe 12 biţi, fiecare canal fiind prevăzut cu ieşiri unipolare sau bipolare cu selecţie internă sau externă a tensiunii de referinţă. Pentru fiecare canal de ieşire analogic, CNA generează un curent proporţional cu tensiunea de intrare de referinţă, multiplicat cu un cod numeric

101

încărcat în prealabil într-un buffer propriu. Acest cod este tocmai numărul care va fi convertit în semnal analogic. Amplificatoarele operaţionale de la ieşire convertesc acest curent de ieşire al CNA într-un semnal de tensiune transmis la conectorii de ieşire.

Circuitul pentru intrări/ieşiri numerice este prevăzut cu 8 linii de intrare/ieşire numerice divizate în două porturi de câte 4 linii fiecare. Ieşirile numerice sunt grupate într-un registru de ieşire de 8 biţi, câte 4 pentru fiecare port de ieşire. În mod asemănător, avem un registru de intrare pe 8 biţi. Ambele registre sunt compatibile TTL şi acţionează TSR (Three State Logic, HiZ). Controllerul de achiziţie date gestionează operaţiile de achiziţie iar Circuitul de generare a semnalelor de tact (Timing I/O) funcţiile generale de intrare/ieşire. Ambele blocuri funcţionează pe baza unui circuit de numărare/generare de interval de timp, care conţine 5 numărătoare programabile pe 16 biţi, compatibile TTL. Plăcile disponibile în laborator sunt de tip AT-MIO-16H-9: AT – se referă la compatibilitatea cu placa de bază a calculatoarelor IBM-PC în tehnologie AT (Advanced Technology). MIO – abrevierea de la Multifunction Input/Output Board. 16 – se referă la numărul de canale de intrare analogică: 16 canale asimetrice (single-ended) sau 8 canale diferenţiale. H – se referă la High-level analog inputs, adică la semnale analogice de intrare de nivel mare, care nu necesită amplificări programabile mari pe placă (amplificările pot fi: 1, 2, 4, 8). 9 – se referă la timpul minim de achiziţie pe un canal, adică 9 µ sec. Frecvenţa (rata) maximă de achiziţie este de 100.000 de eşantioane pe secundă. Placa de achiziţie AT-MIO-16H nu dispune de tehnologie Plug-and-play (specifică îndeosebi plăcilor PCI - Peripheral Component Interconnect), fiind o placă tip ISA (Industry Standard Architecture) şi prin urmare este prevăzută cu un comutator DIP (Dual Inline Pin – permite selectarea adresei de bază a plăcii) şi un set de jumpere care trebuie setate în funcţie de arhitectura în care este folosită placa. Pentru setarea şi utilizarea plăcii de achiziţie AT-MIO-16H sunt necesare: placa de achiziţie, driverul NI-DAQ, software-ul de aplicaţie LabVIEW (sau LabWindows sau LabWindows/CVI) şi un calculator. Observaţie: Pentru programarea plăcii se poate utiliza şi programarea la nivel de regiştri, care este însă dificilă, fiind recomandată folosirea NI-DAQ şi a unui soft de aplicaţie.

Placa de achiziţie AT-MIO-16H conţine: • 16 canale single-ended de intrări analogice în domeniile 0÷5V, 0÷10V sau 8 canale diferenţiale în domeniile -5V ÷5V, -10÷10V funcţie de configuraţia hardware; • 2 canale de ieşiri analogice în domeniile 0÷10V, –10 ÷10V; • 2 porturi numerice I/O pe 4 biţi fiecare; • 5 numărătoare independente pe 16 biţi; • un generator de frecvenţă până la 1 MHz; AT-MIO-16 poate fi instalată în orice slot disponibil de 16 biţi (AT Style - ISA) din

calculator. AT-MIO-16 nu poate lucra dacă este instalat într-un slot expandat pe 8 biţi (PC Style). Instrumente virtuale LabVIEW pentru achiziţii de date

În LabVIEW controlul plăcilor de achiziţie se realizează cu ajutorul unor instrumente virtuale (VI) obţinute din lista de comenzi Functions, meniul DAQ. Lista de comenzi DAQ (Data Acquisition) conţine instrumente virtuale grupate în următoarele biblioteci (Fig. 5.40): Analog Input, Analog Output, Digital Input/Output, Counter, Calibration and Configuration, Signal Conditioning. La realizarea unor aplicaţii cu VI-urile de achiziţie trebuie respectat un principiu de bază şi anume o aranjare secvenţială a acestor instrumente (numite şi funcţii de achiziţie) în vederea unei executări coerente a programului. Spre exemplu, configurarea plăcii şi calibrarea sa se realizează înaintea citirii datelor. Programarea acestei aranjări se realizează printr-o înlănţuire de conexiuni numite task ID [in/out] (Fig. 5.41). Task ID este de fapt un număr generat de LabVIEW care

102

codifică numărul plăcii de achiziţie şi numărul de grup după configurarea acestuia (prin grup înţelegând o colecţie de canale de intrare sau de ieşire sau porturi). Conexiunile de tip error se referă la erorile de execuţie apărute în diferite etape.

Fig. 5.40. Meniul Data Acquisition – DAQ

Fig. 5.41. Înlănţuirea logică a funcţiilor de achiziţii de date prin conexiuni task ID şi error

În cazul utilizării unor instrumente avansate nu mai sunt necesare conexiunile de tip task ID şi error.

În continuare va fi prezentată pe scurt biblioteca de instrumente virtuale pentru intrări analogice. Funcţiile pentru intrări analogice sunt grupate în patru clase sau sub-biblioteci: Easy Analog Input VIs, Intermediate Analog Input VIs, Analog Input Utilities VIs, şi Advanced Analog Input Vis (Fig. 5.42).

Biblioteca Easy Analog Input VIs conţine instrumente executabile capabile să realizeze operaţiuni de bază pentru intrări analogice. Instrumentele din biblioteca Easy Analog Input VIs sunt construite pe baza VI-urilor din biblioteca Intermediate Analog Input VIs, care la rândul lor sunt construite pe baza VI-urilor din biblioteca Advanced Analog Input VIs. Un instrument de tip Easy Analog Input VIs furnizează o interfaţă utilizator convenabilă pentru intrările analogice uzuale, pentru aplicaţii complexe fiind necesară folosirea instrumentelor din celelalte biblioteci.

Fig. 5.42. Biblioteca Analog Input

Easy Analog Input VIs

Advanced Analog Input VIs

Intermediate Analog Input VIs

Analog Input Utilities VIs

TaskID TaskID in TaskID in TaskID out

103

Instrumentele de nivel intermediar pentru intrări analogice se pot găsi în biblioteca Intermediate Analog Input VIs. Aceste instrumente sunt construite pe baza instrumentelor fundamentale din Advanced Analog Input VIs. Instrumentele de nivel intermediar sunt flexibile în utilizare, asigurând în acelaşi timp majoritatea facilităţilor instrumentelor avansate.

Instrumentele din Analog Input Utilities VIs sunt bazate pe instrumentele de nivel intermediar şi oferă soluţii simple pentru situaţiile uzuale de folosire a intrărilor analogice.

Instrumentele avansate pentru achiziţia intrărilor analogice sunt grupate în Advanced Analog Input VIs. Aceste instrumente constituie interfaţa între software-ul de aplicaţie LabVIEW şi driverele NI-DAQ, fiind la baza celorlalte instrumente din meniul Analog Input. Atunci când se doreşte realizarea unei aplicaţii pentru achiziţia de date analogice trebuie ordonate instrumentele virtuale într-o secvenţă logică care conţine etape de configurare a plăcii, de lansare a achiziţiei, de citire a datelor şi de ştergere a acestora, secvenţă prezentată în Fig. 5.43. Această secvenţă poate fi realizată prin utilizarea unor VI-uri de nivel intermediar, aşa cum apar în Fig. 5.43, sau etapele din secvenţă pot fi executate de un singur VI, cum ar fi de exemplu VI-uri din biblioteca Analog Input Utilities VIs.

Fig. 5.43. Secvenţa VI-urilor pentru achiziţia de date analogice

În continuare vor fi descrise câteva VI-uri utile pentru achiziţia de date analogice, şi anume

patru instrumente de nivel intermediar din Intermediate Analog Input VIs şi două instrumente din Analog Input Utilities VIs. Instrumentele de achiziţie au numeroşi parametri de intrare care permit realizarea unor aplicaţii precise. În multe cazuri aceşti parametri au valori ce corespund unei utilizări clasice ale funcţiei. Diferenţa dintre parametrii primari ai instrumentului şi parametrii secundari este vizualizată pe fereastra de ajutor (help) prin grosimea caracterelor. Parametrii primari (cei mai importanţi) apar îngroşaţi. Valorile implicite ale parametrilor (default) apar între paranteze. În Fig. 5.44 – 5.47 sunt prezentate instrumentele intermediare AI Config.vi, AI Start.vi, AI Read.vi şi AI Clear.vi, cu terminalele de intrare şi de ieşire corespunzătoare. Se observă o serie de terminale care apar la toate instrumentele virtuale din figurile precizate. În Tabelul 5.3 sunt descrise pe scurt terminalele comune, cu menţiunea că fiecare VI poate avea terminale de intrare şi ieşire specifice a căror semnificaţie se desprinde fie din context fie se poate afla apelând la sistemul de help.

AI Config.vi realizează configurarea unei operaţiuni de intrare analogică pentru un set de canale de intrare specificat, prin configurarea hardware-ului şi alocarea unei memorii tampon (buffer) pentru datele analogice.

Fig. 5.44. Instrumentul AI Config.vi

Configurare placă (AI Config.vi)

Lansare achiziţie (AI Start.vi)

Citire date (AI Read.vi)

Ştergere date (AI Clear.vi)

104

AI Start.vi setează frecvenţa de eşantionare, numărul de achiziţii care se vor efectua, condiţiile de sincronizare (trigger), după care startează achiziţia de date analogice.

Fig. 5.45. Instrumentul AI Start.vi

AI Read.vi citeşte datele achiziţionate din memoria tampon.

Fig. 5.46. Instrumentul AI Read.vi

AI Clear.vi şterge task-ul de intrare analogică asociat cu taskID in.

Fig. 5.47. Instrumentul AI Clear.vi

Tabelul 5.3

Denumire terminal Descriere device numărul conectorului plăcii de achiziţii de date. Pentru o singură placă

AT-MIO, device = 1 channels (0) descrie canalele de intrare utilizate. Implicit are valoarea 0

task ID in identifică grupul şi tipul operaţiei I/O task ID out are aceeaşi valoare ca task ID in

error in (no error) descrie erorile care apar înainte de execuţia VI-ului respectiv. Dacă a apărut o eroare, VI-ul returnează valoarea erorii într-un cluster în error out. Implicit are valoarea "no error"

error out conţine informaţia despre erori. În cazul în care clusterul error inindică o eroare, clusterul error out va conţine aceeaşi informaţie. Dacă nu, error out descrie erorile apărute la execuţia VI-ului respectiv

buffer size (1000 scans)

mărimea memoriei tampon alocată pentru stocarea eşantioanelor (implicit 1000)

number of scans to acquire

numărul de citiri care se efectuează (implicit 1000)

scan rate (scan/sec) frecvenţa de achiziţie (1000 de scanări pe secundă în lipsa precizării). Este echivalentă cu frecvenţa de eşantionare pe canalul respectiv

voltage data Este un tablou (o matrice) care conţine datele analogice achiziţionate

105

În Fig. 5.48 şi Fig. 5.49 sunt prezentate instrumentele AI Waveform Scan.vi şi AI Continuous Scan.vi din sub-biblioteca Analog Input Utilities VIs, o parte din terminalele de intrare şi de ieşire fiind descrise în Tabelul 5.3.

AI Waveform Scan.vi realizează numărul specificat de achiziţii (scanări) la frecvenţa de eşantionare specificată şi returnează toate datele achiziţionate. Achiziţia poate fi sincronizată.

AI Continuous Scan.vi realizează măsurarea în mod continuu (dar eşantionată în timp) a unui grup de canale, stochează datele într-un buffer circular şi returnează un număr specificat de date măsurate la fiecare apelare a VI-ului.

Fig. 5.48. Instrumentul AI Waveform Scan.vi

Fig. 5.49. Instrumentul AI Continuous Scan.vi

Dacă se urmăreşte achiziţia multi-punct a unui set de date analogice (limitat prin memoria

tampon) se pot utiliza cele patru instrumente intermediare prezentate mai sus, secvenţiate ca în Fig. 5.43, sau se poate utiliza un singur instrument virtual complet, de tip AI Waveform Scan.vi sau AI Continuous Scan.vi. În Fig. 5.50 este prezentată fereastra diagramă în cazul achiziţiei unor date analogice utilizând cele patru VI-uri intermediare prezentate anterior, conform secvenţei din Fig. 5.43 (se poate analiza pentru rulare – în prezenţa unei plăci de achiziţie – şi pentru informaţii suplimentare exemplul Getting Started Analog Input.vi din directorul Examples al LabVIEW). Se observă că doar o parte din terminalele de intrare şi de ieşire ale instrumentelor virtuale sunt utilizate, restul fiind lăsate la valorile lor implicite. Datele analogice achiziţionate sunt afişate cu ajutorul unui indicator grafic de tip Waveform Graph, cu opţiunea Transpose Array activată, fiind posibilă vizualizarea datelor primite de la mai multe canale (plotare multiplă). O aplicaţie similară cu cea din Fig. 5.50, dar în care se utilizează un instrument virtual AI Waveform Scan.vi, este prezentată în Fig. 5.51.

Programele prezentate permit achiziţia multi-punct a unui set de date de o anumită lungime, după care achiziţia se opreşte. Dacă se doreşte o achiziţie în mod continuu a datelor analogice, este necesară folosirea unui instrument virtual de repetare, cum ar fi bucla While. Se pot utiliza VI-urile intermediare sau VI-uri de tipul AI Waveform Scan.vi sau AI Continuous Scan.vi. Un exemplu de program care realizează achiziţia repetată a unor date analogice, construit în jurul unui instrument AI Continuous Scan.vi este prezentat în Fig. 5.52. Terminalul de iteraţie al buclei While este legat la terminalul de iteraţie al VI-ului de achiziţie. Achiziţia este oprită la apăsarea butonului Stop sau la apariţia unei erori. Condiţia booleană de terminare a achiziţiei este de asemenea conectată la terminalul clear acquisition al VI-ului (astfel încât să fie true la ultima iteraţie).

106

Fig. 5.50. Achiziţia de date analogice cu VI-uri de nivel intermediar

Fig. 5.51. Achiziţia de date analogice cu AI Waveform Scan.vi

Fig. 5.52. Achiziţia în mod continuu cu AI Continuous Scan.vi

107

5.6.3. Placa de achiziţie MultiQ-PCI (Quanser Consulting)

Placa de achiziţie MultiQ-PCI este o placă multifuncţională I/O de tip plug and play, pe magistrală PCI (32 biţi, 33 MHz), realizată de firma Quanser Consulting din Canada. Gestionarea intrărilor şi ieşirilor analogice şi numerice, precum şi a funcţiilor generale se face sub controlul softului de timp real WinCon al aceleiaşi firme, care lucrează cu Matlab/Simulink sub Windows. Placa poate fi gestionată şi sub Linux, sub controlul pachetului software Simulinux Real-Time Control, asociat cu MATLAB/SIMULINK. Atât WinCon, cât şi Simulinux Real-Time Control furnizează driverele necesare plăcii, iar MATLAB/SIMULINK are rolul software-ului de achiziţie.

Placa de achiziţie MultiQ-PCI include următoarele funcţii: • 16 canale de intrări analogice diferenţiale (din care primele 8 se pot configura single-

ended), cu rezoluţie de 14 biţi (16 biţi incluzând semnul), cu domenii posibile -5V ÷5V, -10÷10V;

• 4 canale de ieşiri analogice cu rezoluţie de 13 biţi (14 biţi incluzând semnul), domeniu -10÷10V;

• 48 de canale numerice I/O; • 6 numărătoare pe 24 de biţi, grupate în 3 perechi (care oferă şi posibilitatea

conectării plăcii la traductoare incrementale – encodere); • ceas watchdog pentru controlul magistralei PCI

În Fig. 5.53 este prezentată placa de achiziţie MultiQ-PCI propriu-zisă, cu vizualizarea conectorilor de cuplare (prin cabluri panglică) la placa-terminal, care este situată în exteriorul calculatorului şi care permite conectarea cu intrările/ieşirile numerice şi analogice (schema plăcii-terminal este prezentată în Fig. 5.54).

Fig. 5.53. Placa de achiziţie MultiQ-PCI

Schema bloc a plăcii de achiziţie MultiQ-PCI, cu evidenţierea funcţiilor şi blocurilor de bază, este prezentată în Fig. 5.55. Placa este împărţită din punct de vedere funcţional în cinci blocuri componente: numărătoare, intrări/ieşiri numerice, blocul de conversie analog-numerică (intrări analogice), blocul de conversie numeric-analogică (ieşiri analogice) şi circuitul watchdog. Intrări analogice Placa are 16 canale de intrări analogice diferenţiale, cu posibilitatea de configurare a fiecăruia dintre ele la -5V ÷5V sau la -10÷10V, furnizând o valoare pe 16 biţi (inclusiv semnul). Primele 8 canale pot fi configurate ca intrări diferenţiale sau ca intrări single-ended (prin conectarea corespunzătoare a unor jumpere pe placa-terminal). Ultimele 8 canale pot fi configurate doar ca intrări diferenţiale. Pe placa-terminal există şi opţiunea conectării unor filtre analogice trece-jos (anti-aliasing). Timpul necesar conversiei analog-numerice este de sec)n2317( µ⋅+ , unde n este numărul de canale scanate.

108

Fig. 5.54. Schema plăcii-terminal

Fig. 5.55. Schema bloc a plăcii de achiziţie MultiQ-PCI

Bloc Numărătoare

Mag

istra

lă P

CI

Circ

uit d

e in

terf

aţă

cu m

agis

trala

PC

I

Reg

iştri

I/O

A/N

N/A

+

+

_

_

1

16

1

4

Bloc Intrări/Ieşiri numerice

In

Out

In

Out

1

48

Out

Sense

Circuit Watchdog

Intrări/Ieşiri numerice

Intrări analogice

Ieşiri analogice

De la encodere

109

Ieşiri analogice Placa MultiQ-PCI este prevăzută cu 4 ieşiri analogice, în domeniul -10÷10V. Rezoluţia este de 13 biţi (14 biţi cu bitul de semn). Timpul necesar conversiei numeric-analogice pe un canal este de sec17 µ . Intrări/Ieşiri numerice Placa de achiziţie conţine 48 de canale de intrări/ieşiri numerice. Dintre acestea, 40 de canale oferă detecţie de front şi întreruperi la detecţia frontului (coborâtor sau crescător). Ultimele 8 canale I/O numerice sunt simple. Fiecare dintre cele 48 de canale numerice poate funcţiona ca intrare sau ca ieşire. Pentru scriere sunt utilizaţi 3 regiştri pe 16 biţi, iar pentru citire alţi trei regiştri pe 16 biţi. Numărătoare Placa este prevăzută cu 6 numărătoare pe 24 de biţi, grupate în trei perechi. Numărătoarele pot fi utilizate individual (stand-alone) sau în pereche, în acest caz formând un numărător pe 48 de biţi. Fiecare numărător poate fi folosit la diverse sarcini:

- pentru a contoriza impulsurile care provin de la encodere – traductoare numerice incrementale de poziţie (pe placa-terminal sunt prevăzute 6 intrări pentru encodere, în mod diferenţial sau single-ended);

- pentru furnizarea unor semnale de ceas (generare interval de timp); - pentru funcţii generale de numărare, măsurarea frecvenţei etc. Circuitul watchdog

Placa de achiziţie conţine un circuit care furnizează un semnal de ceas de tip watchdog. Atunci când din diverse motive controllerul master de magistrală pierde controlul asupra magistralei PCI, semnalul watchdog al plăcii este utilizat pentru reluarea controlului asupra magistralei. Descrierea generală a software-ului WinCon WinCon este o aplicaţie de timp real care rulează controllere SIMULINK în timp real sub sistemul de operare Windows. Structural, WinCon este alcătuit din două părţi distincte: WinCon Client şi WinCon Server, care comunică prin intermediul unui protocol TCP/IP. WinCon Client rulează în timp real, în timp ce WinCon Server este o interfaţă grafică separată, care rulează în mod utilizator.

WinCon permite rularea unui cod generat dintr-o diagramă SIMULINK, în timp real, pe acelaşi calculator sau pe un calculator aflat la distanţă (şi conectat prin reţea sau Internet la calculatorul Server). Datele ce provin din aplicaţia de timp real pot fi vizualizate on-line prin intermediul interfeţei, iar parametrii modelului pot fi modificaţi on-line prin intermediul WinCon sau SIMULINK. O dată generat (în mod automat), codul de timp real este independent de SIMULINK (este portabil).

Configuraţiile posibile de utilizare a plăcilor MultiQ-PCI cu softul WinCon şi MATLAB/SIMULINK sunt prezentate în continuare. Configuraţia locală este cea din Fig. 5.56 şi presupune utilizarea unui singur calculator în care este instalată placa MultiQ-PCI şi softul WinCon (atât Client cât şi Server), împreună cu celelalte pachete software necesare.

Fig. 5.56. Configuraţia locală de utilizare a aplicaţiei de timp real WinCon (un singur calculator)

RTX (Mediu de timp real)

WinConClient

WinConServer

UtilizatorProces

Windows MATLAB/SIMULINK RealTimeWorkshop Visual C++

Mul

tiQ- P

CI

PC

TCP/IP

110

Spre deosebire de configuraţia locală, în configuraţiile la distanţă, de tip reţea, cu mai multe calculatoare, WinCon Client şi prin urmare codul de timp real rulează pe o altă platformă (calculator) decât SIMULINK şi WinCon Server (adică interfaţa utilizator). O configuraţie minimală de aplicaţie la distanţă este prezentată în Fig. 5.57 şi utilizează 2 calculatoare.

Fig. 5.57. Utilizarea WinCon într-o configuraţie cu două calculatoare Cea mai generală configuraţie de tip reţea este cea din Fig. 5.58, în care sunt utilizate N calculatoare care controlează şi achiziţionează date de la N-1 procese. Pentru această configuraţie sunt necesare N-1 plăci MultiQ-PCI. Comunicaţiile între calculatoare sunt realizate prin intermediul unei reţele (care poate fi locală, Internet, Intranet). Avantajul acestor ultime două configuraţii constă în eliberarea de alte sarcini a calculatoarelor Client.

Fig. 5.58. Configuraţie de tip reţea multi-calculator Pentru interfaţarea corectă a plăcii MultiQ-PCI cu aplicaţiile WinCon sau Simulinux, producătorul sistemului de achiziţie furnizează şi o serie de blocuri SIMULINK, care joacă rolul softului de achiziţie. Aceste blocuri sunt grupate în Quanser Toolbox/ SIMULINK, care conţine biblioteci pentru diferite plăci Quanser, printre care şi MultiQ-PCI Library. Din această bibliotecă se pot accesa şi utiliza block-seturi pentru intrări analogice, ieşiri analogice, intrări/ieşiri numerice, intrări de la encodere, watchdog timer etc., similare instrumentelor virtuale din LabVIEW pentru produsele NI. Prin utilizarea acestor blocuri şi a procedurilor drag and drop specifice SIMULINK, realizarea unui model (diagrame) pentru o aplicaţie de achiziţie şi conducere în SIMULINK este o sarcină relativ uşoară. După realizarea diagramei, aceasta este convertită în cod de timp real prin RealTimeWorkshop/WinCon şi poate fi rulată, în funcţie de configuraţia existentă.

WindowsRTX

WinConClient

WinConServer

UtilizatorProces

Windows MATLAB/SIMULINK RealTimeWorkshop Visual C++

Mul

tiQ- P

CI

PC 2

TCP/IP

PC 1

WindowsRTX

WinConClient

WinConServer

UtilizatorProces 1

Windows MATLAB/SIMULINK RealTimeWorkshop Visual C++

Mul

tiQ- P

CI

PC 2

TCP/IP

PC 1

WindowsRTX

WinConClient

Proces N-1

Mul

tiQ- P

CI

PC N

111

BIBLIOGRAFIE

[1] Bălan, T., Şterbeţi, C., Analiză Fourier – Elemente de Teorie şi Probleme, Ed. Sitech, Craiova, 2001.

[2] Bentley, J.P., Principles of Measurements Systems, Longman Scientific & Technical, United Kingdom, 1988.

[3] Carlson, G.E., Signal and Linear System Analysis, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1998.

[4] Cartianu, Gh., Săvescu, M., Constantin, I., Stanomir, D., Semnale, Circuite şi Sisteme, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1980.

[5] Cottet, F., Ciobanu, O., Bazele Programării în LabVIEW, MATRIX ROM, Bucureşti, 1998. [6] Golovanov, C., Albu, M. (coordonatori), Probleme moderne de măsurare în electroenergetică,

Ed. Tehnică, Bucureşti, 2001. [7] Iancu, E., Transmisia Datelor, Ed. Reduta, Craiova, 1998. [8] Ionete, C., Selişteanu, D., Echipamente de Automatizare şi Protecţie, Reprografia Universităţii

din Craiova, 2000. [9] Jurca, T., Stoiciu, D., Instrumentaţie de măsurare. Structuri şi circuite, Ed. de Vest, Timişoara,

1996. [10] Lyons, R.G., Understanding Digital Processing, Addison-Wesley Publishing Company, 1997. [11] Marin, C., Petre, E., Popescu, D., Ionete, C., Selişteanu, D., Teoria Sistemelor. Probleme,

Ediţia a doua, Ed. Sitech, Craiova, 2000. [12] Marin, C., Popescu, D., Petre, E., Ionete, C., Selişteanu, D., Teoria Sistemelor, Ed.

Universitaria, Craiova, 2001. [13] Nachtingal, Chester L. (ed.), Instrumentation and Control. Fundamentals and Applications,

John Wiley & Sons, Inc., New York, 1990. [14] Nussbaumer, H., Informatique industrielle II, Presses Polytechniques Romandes, Lausanne,

1986. [15] Oppenheim, A.V., Schafer, R.W., Discrete-Time Signal Processing, Second Edition, Prentice

Hall International, 1999. [16] Porat B., A Course in Digital Signal Processings, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997. [17] Rosch, L., Totul despre Hardware (ed. II), Ed. Teora, Bucureşti, 2001. [18] Săvescu, M., Petrescu, T., Ciochină, S., Semnale, Circuite şi Sisteme - Probleme, Ed. Didactică

şi Pedagogică, Bucureşti, 1981. [19] Selişteanu, D., Ionete, C., Petre, E., Popescu, D., Şendrescu, D., Ghid de programare în

LabVIEW. Aplicaţii pentru prelucrarea semnalelor, Tipografia Universităţii din Craiova, 2003. [20] Selişteanu, D., Ionete, C., Petre, E., Popescu, D., Şendrescu, D., Aplicaţii LabVIEW pentru

achiziţia şi generarea datelor, Editura SITECH, Craiova, 2004. [21] Ştefănescu, S., Filtre, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1987. [22] Tompkins, W.J., Webster, J.G.W. (editori), Interfacing Sensors to the IBM PC, Prentice Hall,

SUA, 1988. [23] Ţăţulescu, M., Instrumentaţie şi tehnici electrice de măsurare, Reprografia Universităţii din

Craiova, 1997. [24] ***, AT-MIO-16 User Manual, National Instruments, SUA, 1995. [25] ***, LabVIEW User Guide, National Instruments, SUA, 1996. [26] ***, LabVIEW Measurements Manual, National Instruments, SUA, 2000. [27] ***, MATLAB User Guide, The Mathworks Inc., SUA, 2000. [28] ***, NI-DAQ User Manual, National Instruments, SUA, 2001. [29] ***, WinCon User Manual, Quanser Consulting, Canada, 2002. [30] ***, MultiQ PCI User Manual, Quanser Consulting, Canada, 2002.