DAQ (parte 7) – Misura di parametri fisici via USB

In questo articolo affronteremo la progettazione e sviluppo di un sistema di acquisizione dati (DAQ) via USB, per la misura di parametri fisici quali temperatura, umidità, intensità luminosa e così via, che sono generalmente rilevati dai rispettivi sensori o sensori integrati e convertiti in un segnale elettrico (tensione o corrente). Il DAQ è stato progettato utilizzando il microcontrollore Microchip PIC18F4550 collegato a un Personal Computer (PC) tramite USB (Universal Serial Bus). Il progetto ci servirà come base per lo sviluppo di un sistema di acquisizione dati high speed che affronteremo nei prossimi articoli

Con l’avanzare della tecnologia informatica/elettronica i prezzi calano drasticamente e, quindi, progetti di dispositivi low cost in vari ambiti diventano una necessità.

Grandezze fisiche quali temperatura, pressione, umidità, intensità della luce e così via, sono generalmente “lente” e possono essere misurate dal relativo sensore o trasduttore fornendo variazioni di parametri elettrici. Nei laboratori o ambienti industriali, è molto essenziale monitorare e/o controllare tali parametri. L’osservazione manuale e la registrazione di tali parametri di continuo per un lungo periodo è quasi impossibile e non può soddisfare le esigenze attuali in termini di precisione e durata nel tempo.

Fig. 1 – Schema a blocchi

Una soluzione efficace di questo problema è sviluppare un semplice data logger. Il presente articolo ha come obiettivo l’esplorazione delle nozioni teoriche al fine di progettare un semplice DAQ low cost con il microcontrollore Microchip per il monitoraggio continuo e la memorizzazione dei parametri fisici quali temperatura, umidità, e così via. La caratteristica della scheda è la facilità di reperire i componenti in quanto sono comunemente disponibili sul mercato, con firmware e programma applicativo sviluppati e facili da usare.

Tipi di acquisizione dati

Wireless Data Acquisition System

Sistemi di acquisizione dati wireless sono in grado di eliminare il cablaggio e sono costituiti da uno o più trasmettitori radio che inviano dati a un ricevitore wireless collegato a un computer remoto. Trasmettitori wireless sono disponibili per valori di temperatura ambiente e umidità relativa, termocoppie, RTD, sensori con uscita a impulsi da 4 a 20 mA e trasduttori di uscita di tensione. I ricevitori possono essere collegati alla porta USB o Ethernet sul PC.

Serial Data Acquisition System

Sistemi di acquisizione dati seriali sono una buona scelta quando la misura deve essere fatta in un luogo che è distante dal computer. Ci sono diversi standard di comunicazione, RS232 è la più comune, ma supporta solo distanze fino a circa 10m. RS485 è superiore e supporta distanze maggiori.

USB Data Acquisition System

L’Universal Serial Bus (USB) è un nuovo standard per il collegamento di PC alle periferiche quali stampanti, monitor, modem e dispositivi di acquisizione dati. USB offre diversi vantaggi rispetto alle connessioni seriali e paralleli convenzionali, tra cui maggiore larghezza di banda (fino a 12 Mbit/s) e la capacità di fornire alimentazione al dispositivo periferico. USB è l’ideale per applicazioni di acquisizione dati poiché è necessario un solo cavo per collegare il dispositivo di acquisizione dati al PC, che molto probabilmente, ha almeno una porta USB.

Plug-In Data Acquisition System

Schede di acquisizione dati direttamente nel bus del computer. Vantaggi sono la velocità (perché sono collegati direttamente al bus) e il costo (in quanto l’overhead di imballaggio e l’alimentazione viene fornita dal computer). Le caratteristiche possono variare a causa del numero e tipo di ingressi (tensione, termocoppia, on/off), uscite, velocità e altre funzioni previste. Ogni scheda installata sul computer è indirizzata a un Input/Output. La mappa di Input/Output del computer offre gli indirizzi che il processore utilizza per accedere al dispositivo specifico come richiesto dal suo programma.

Schema circuitale

Lo schema a blocchi dell’apparato sperimentale è mostrato in figura 1, mentre lo schema elettrico del DAQ è visualizzato in figura 2.

Fig. 2 – Schema elettrico DAQ

Il sistema di acquisizione dati è stato sviluppato utilizzando PIC18F4550, un 40/44-Pin, ad alte prestazioni, Enhanced Flash, USB con tecnologia nano Watt. Esso utilizza 8 canali di input analogico (AN0-AN07) con risoluzione ADC di 10 bit, in cui l’intera operazione è controllata dal firmware. Una presa USB B-Type è utilizzata per comunicare con la porta USB del PC. Il layout PCB del circuito può essere progettato utilizzato classici software applicativi tra cui Eagle.

I segnali in uscita dal sensore di temperatura (per esempio IC LM35) e sensore di umidità (per esempio IC HIH 4000) non sono adatti direttamente e richiedono circuiti di condizionamento progettati utilizzando amplificatori operazionali come mostrato in figura 2. Per proteggerlo da sovratensione un diodo zener è utilizzato in serie con una resistenza. L’uscita è posta attraverso il diodo zener (limitando la massima tensione di 5,1 volt) e alimentato alle linee d’ingresso del microcontrollore.

Parametri

Il sistema è stato progettato e sviluppato in conformità con i seguenti requisiti:
1. L’Universal Serial Bus (USB) è stato il collegamento esterno preferito per il sistema DAQ poiché è il nuovo standard di interfaccia con una prospettiva a lungo termine.
2. Il sistema DAQ ha bisogno di essere multifunzionale, sostenere adeguatamente l’analogico, così come, eventualmente, gli ingressi e le uscite digitali.
3. La risoluzione necessaria per l’ingresso analogico è 10 bit e il numero di ingressi devono essere almeno 8. La frequenza di campionamento massima deve essere almeno di 50-200k campioni/secondo per un canale. Range di tensione di ingresso compatibile con i sensori standard analogici che operano tra 0V e 5V. Può essere richiesto un secondo intervallo di input di 10V per il collegamento diretto di segnali AC con modifica del circuito di condizionamento.
4. La velocità dati massima in uscita dovrebbe essere lo stesso ordine di grandezza per l’ingresso analogico. Gamma di tensione d’uscita dovrebbe essere in grado di coprire gli intervalli da 0V a 5V.

Bus USB

Universal Serial Bus (USB) è uno standard di comunicazione seriale nato nel 1995, consiste di un singolo gestore e molte periferiche collegate da una struttura simile a un albero, attraverso dei dispositivi chiamati hub. I limiti energetici dello standard vanno seguiti scrupolosamente, pena il probabile danneggiamento del gestore, dato che lo standard USB non prevede nelle specifiche minime la sconnessione in caso di sovraccarico. Il trasferimento dei dati avviene fisicamente attraverso le variazioni della tensione differenziale fra due dei quattro fili costituenti l’USB.

DAQ USB in commercio

La serie di moduli di acquisizione dati di Advantech è composta da moduli “plug and play”, moduli USB I/O digitale isolato e vari moduli USB multifunzione. Un esempio è USB4622 con le seguenti principali caratteristiche: compatibilità con USB 2.0 High-speed, USB 2.0 Full-speed, USB 1.0; trasferimento dati a 480 Mbps high-speed data.

La serie USB-200 di Measurement Computing, invece, fornisce un buon rapporto costo/prestazioni rispetto agli altri dispositivi DAQ a 12 bit della casa costruttrice.
Dispositivi della Serie USB-200 forniscono otto ingressi analogici 12-bit. L’intervallo di input analogico è fissato a ± 10 V.

Infine, i dispositivi National Instruments USB DAQ sono disponibili in un’ampia gamma di versioni, a basso costo, a funzione singola, fino a sistemi modulari e sono ideali per ogni tipo di applicazione, dal semplice data logger, fino a sistemi embedded.

Leggi gli articoli precedenti

DAQ (parte 1) – Sistemi di acquisizione dati: generalità di progettazione

DAQ (parte 2) – Il condizionamento dei segnali e digitalizzazione

DAQ (parte 3) – Timing system e filtering

DAQ (parte 4) – Power management e bus interface

DAQ (parte 5) – Design hardware (parte prima)

DAQ (parte 6) – Design hardware (parte seconda)

Maurizio Di Paolo Emilio

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