Introduzione all acquisizione Dati

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1 Introduzione all acquisizione Dati Laboratorio di Robotica Industriale

2 Evoluzione della strumentazione Introduzione all acquisizione dati - 2

3 Trend nella strumentazione Introduzione all acquisizione dati - 3

4 Anatomia di un esperimento di Acquisizione dati (DAQ) Setup del sistema DAQ Istallazione HW e SW Connessione sensori Calibrazione Trials Effetti del mondo reale Introduzione all acquisizione dati - 4

5 Il sistema di acquisizione dati (DAQ) HW per acquisizione dati Trasduttori Sensori Attuatori HW per condizionamento segnali Il computer Software Introduzione all acquisizione dati - 5

6 Relazione tra i componenti di un sistema di acquisizione dati Introduzione all acquisizione dati - 6

7 Scopo di un sistema DAQ Estrazione delle informazioni Introduzione all acquisizione dati - 7

8 HW per acquisizione dati Interno al PC Ingressi analogici Uscite analogiche ingressi/uscite digitali Counter/timer Introduzione all acquisizione dati - 8

9 HW per acquisizione dati Esterno al PC (stesse funzioni) Ingressi analogici Uscite analogiche ingressi/uscite digitali Counter/timer Introduzione all acquisizione dati - 9

10 Differenti punti di vista di un segnale Introduzione all acquisizione dati - 10

11 Segnali di uscita dei sensori e informazione Introduzione all acquisizione dati - 11

12 Sensori analogici Molte variabili fisiche sono continue in natura e, spesso, sono misurate con sensori analogici Introduzione all acquisizione dati - 12

13 Segnali di uscita dei sensori analogici Uscite standard (4-20 ma, 0-20 ma, ± 10 V) Segnali di corrente e segnali di tensione Ampiezza Frequenza Durata Introduzione all acquisizione dati - 13

14 Sensori digitali Switch Encoder di posizione Introduzione all acquisizione dati - 14

15 Sensori digitali - Encoder assoluti Maschera e codice Introduzione all acquisizione dati - 15

16 Sensori digitali- Encoder incrementali Ricostruzione della velocità convertitore frequenza/tensione (uscita analogica) misura della frequenza (digitale) misura del periodo Introduzione all acquisizione dati - 16

17 Segnali di uscita dei sensori digitali Open collector TTL CMOS RS-422 Introduzione all acquisizione dati - 17

18 Condizionamento dei segnali Amplificazione Filtraggio Isolamento elettrico Multiplexing Introduzione all acquisizione dati - 18

19 Il computer Processore Clock di sistema Bus Memoria RAM e disco Trasferimento dati in memoria Interrupt Dynamic Memory Access (DMA) Introduzione all acquisizione dati - 19

20 Il software Livello dei registri Driver Scambio dati con la sceda Impostazione parametri scheda Programmazione interrupt e DMA Gestione sottosistemi DAQ Software applicativo Generazione eventi Condizionamento SW dei dati Grafica di basso livello Interfaccia grafica (GUI, MMI, HMI, VR) Introduzione all acquisizione dati - 20

21 Il sottosistema di ingresso analogico Campionamento Scansione Campionamento e tenuta simultanei Quantizzazione Range di ingresso e polarità Sincronizzazione Configurazione elettronica dei canali Sorgenti flottanti e grounded Ingressi differenziali e single-ended Trasferimento dati dall HW alla memoria Introduzione all acquisizione dati - 21

22 Campionamento sequenziale (1) Introduzione all acquisizione dati - 22

23 Sequenza di operazioni del S/H 1. Lo switch connette il buffer e il capacitore al dato ingresso 2. Il capacitore si carica alla tensione di ingresso 3. La carica è mantenuta finché il convertitore A/D non ha digitalizzato il segnale 4. Se più canali sono connessi (multiplexing) ad un ADC, i passi 1, 2 e 3 sono ripetuti per ciascun canale 5. L intero processo si ripete al successivo istante di campionamento Introduzione all acquisizione dati - 23

24 Campionamento sequenziale (2) Introduzione all acquisizione dati - 24

25 Campionamento e tenuta simultanei Introduzione all acquisizione dati - 25

26 Quantizzazione Introduzione all acquisizione dati - 26

27 Errore di quantizzazione Introduzione all acquisizione dati - 27

28 Range di ingresso e polarità Introduzione all acquisizione dati - 28

29 Sincronizzazione Clock a bordo scheda Clock del computer Clock esterno Introduzione all acquisizione dati - 29

30 Configurazione elettronica dei canali Introduzione all acquisizione dati - 30

31 Sorgenti flottanti e con punto a massa Grounded source Floating source Introduzione all acquisizione dati - 31

32 Ingressi differenziali Introduzione all acquisizione dati - 32

33 Ingressi single-ended Referenced single-ended non referenced single-ended Introduzione all acquisizione dati - 33

34 Connessioni dei trasduttori al DAQ (1) Ingressi differenziali Segnali di basso livello Connessioni lunghe La sorgente richiede un segnali di massa separato da quello del DAQ Ambiente rumoroso Introduzione all acquisizione dati - 34

35 Connessioni dei trasduttori al DAQ (2) Ingressi single-ended Segnali ad alto livello Connessioni corte Possibilità di condividere un punto di riferimento con altre sorgenti e con il DAQ Introduzione all acquisizione dati - 35

36 Connessioni a DAQ con ingresso RSE Introduzione all acquisizione dati - 36

37 Connessioni a DAQ con ingresso NRSE Introduzione all acquisizione dati - 37

38 Connessioni a DAQ con ingresso differenziale Introduzione all acquisizione dati - 38

39 Trasferimento dati dall HW alla memoria Il buffer FIFO Interrupt DMA Introduzione all acquisizione dati - 39

40 Il buffer FIFO Funzionamento FIFO Perché si usa il buffer FIFO Tempi di latenza (chiamata interrupt o programmazione DMA) Sistema operativo non in tempo reale Introduzione all acquisizione dati - 40

41 Interrupt Il più lento ma più comune metodo per trasferire un dato o un gruppo di dati dal dispositivo HW alla memoria del PC Processo di trasferimento dei dati: Quando un dato è pronto il dispositivo manda una richiesta di interrupt alla CPU del PC La richiesta viene accettata se e quando essa è prioritaria rispetto a quanto la CPU sta eseguendo in quel momento Viene lanciata una routine speciale che salva i registri correnti della CPU, estrae i dati dalla scheda e li trasferisce nella memoria del PC e ripristina i registri alla configurazione presedente alla interruzione Nel processo si perde molto tempo per il salvataggio e il ripristino delle informazioni dei registri della CPU (tempo di latenza) L utilizzo della tecnica di interrupt non è una buonascelta se il tempo di campionamento è superiore ai 5 khz. Introduzione all acquisizione dati - 41

42 DMA Direct Memory Access (DMA) è un metodo che consente il trasferimento dei dati nella memoria di sistema senza interruzione del processore del PC Processo di trasferimento dei dati: Quando un dato è pronto il dispositivo manda una richiesta al controller DMA Quando la CPU è pronta (in genere immediatamente), ferma l interazione con l HW DAQ e il controller DMA trasferisce i dati direttamente nella memoria di sistema In fine il controller DMA si rende pronto per la successiva operazione puntando alla locazione di memoria successiva Il PC supporta diversi canali DMA che possono essere usati anche simultaneamente Estremamente più veloce della tecnica con interrupt Introduzione all acquisizione dati - 42

43 Qualità delle misure La qualità della misura dipende dall accuratezza e dalla precisione del sistema DAQ L accuratezza è una misura di quanto il dato sia vicino al valore vero La precisione indica quanto esattamente sia determinato il risultato Introduzione all acquisizione dati - 43

44 Accuratezza L accuratezza è una misura di quanto il dato sia vicino al valore vero Ciascun componente della parte analogica influisce sulla accuratezza finale L accuratezza dipende anche dal tempo di assestamento dell amplificatore posto immediatamente prima del DAC Inoltre il tempo di assestamento dipende dalla frequenza di campionamento e dal valore del quadagno Per mantenere una accuratezza accettabile è opportuno che l accuratezza totale si mantenga entro un valore corrispondente a 0.5 LSB (last significant bit) Introduzione all acquisizione dati - 44

45 Precisione Il numero di bit usati per rappresentare un segnale analogico determina la precisione o risoluzione del dispositivo Un dispositivo molto preciso divide il range di tensione di ingresso in in più parti incrementando la risoluzione La precisione di un dispositivo di misura è data da: una parte su 2numero di bit La precisione di un dispositivo di misura in Volt è data da: range di ingresso in Volt su 2 numero di bit Introduzione all acquisizione dati - 45

46 Relazione tra range di ingresso, guadagno e precisione Introduzione all acquisizione dati - 46

47 Rumore Il rumore, sempre presente nelle misure, non fa parte del fenomeno di interesse Può essere di due tipi: Rumore interno: generato dall interazione indesiderata dei componenti interni all aplificatore di strumentazione Rumore esterno: aggiunto al segnale quando questo viene trasmesso tramite i cavi di collegamento È necessario adottare tecniche per la riduzione del rumore perché il rumore limita la risoluzione massima della misura Introduzione all acquisizione dati - 47

48 Tecniche di riduzione del rumore Il rumore interno dipende dalla qualità costruttiva dell amplificatore di misura ma anche dall ampiezza della sua banda passante La banda passante dell amplificatore deve essere commisurata a quella del sensore. Il rumore esterno dipende da varie cause: disturbo di rete, lampade fluorescenti etc.. È conveniente avere cavi più corti possibile, twistati o schermati e lontani da fonti di rumore e ingressi differenziali. Introduzione all acquisizione dati - 48

49 Campionamento di un segnale Introduzione all acquisizione dati - 49

50 Ricostruibilità di un segnale campionato ricostruibile Introduzione all acquisizione dati - 50