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

La progettazione di sistemi di acquisizione dati (DAQ) consiste in un processo ingegneristico hardware e software in modo da soddisfare le richieste operative. In questa serie organizzata in 12 articoli, analizzeremo le problematiche connesse e progetteremo come goal finale un DAQ Embedded. L’obiettivo sarà non solo affrontare le tecniche di progettazione ma avere un certo riguardo anche nel settore commerciale per capire che cosa il mercato ci offre dal punto di vista di sistemi DAQ. In questo primo articolo affronteremo le problematiche generali concentrandoci, in seguito, sui principali componenti

I sistemi acquisizione dati (DAQ) vengono utilizzati per ottenere informazioni da alcuni fenomeni fisici. Il processo principale è quello di campionare i segnali che convertono il valore analogico (segnale elettrico) del sensore in uno digitale ed essere manipolabili da un computer.

Fig. 1 – Esempio di sistema di acquisizione dati

Quali sono gli elementi principali di un DAQ (Fig. 1)?

• Sensori: convertire i fenomeni fisici in segnale elettrico
• Convertitore A/D: convertire il segnale analogico in uno digitale
• Multiplexer e amplificatore: per inviare e amplificare il segnale da convertire
• Display/Computer: per visualizzare/gestire i dati

La complessità dei nuovi processi industriali richiede sempre più DAQ complessi con le seguenti principali caratteristiche:

• Capace di gestire grandi quantità di dati
• Connessione ad alta velocità per il DAQ
• Registrazione digitale
• Possibilità di riconfigurazione (flessibilità)

Fig. 2 – Esempio di evento (segnale elettrico)

I segnali, inoltre, sono difficili da caratterizzare e analizzare con una visualizzazione in tempo reale, i parametri da tener conto sono i seguenti:

• Alta frequenza
• Ampia gamma dinamica
• Cambiamenti graduali
• Eventi imprevedibili (Fig. 2)

DAQ Hardware

Un sistema di acquisizione dati (DAQ) può essere definito come un insieme di sistemi elettronici, con le seguenti funzioni:

1. Input: l’elaborazione e la conversione in formato digitale utilizzando gli ADC. I dati sono poi trasferiti a un computer per la visualizzazione, archiviazione e analisi.
2. L’elaborazione: conversione al formato analogico, utilizzando DAC. I segnali analogici di controllo sono utilizzati per controllare un sistema o un processo
3. L’ingresso di segnali digitali, che contengono informazioni da un sistema o un processo
4. L’uscita di segnali di controllo digitali

In generale l’hardware del DAQ è l’interfaccia tra il segnale analogico e un PC. Potrebbe essere sotto forma di moduli che possono essere collegati al computer tramite porta seriale e USB, ad esempio, o schede collegato nello slot della scheda madre: per esempio PCI o PCI Express.

Il cablaggio di un DAQ è necessario quando il segnale di condizionamento e/o hardware di acquisizione dati è collocato lontano dal PC. In questo caso, è molto importante valutare gli effetti del rumore esterno, specialmente in ambienti industriali.

Una caratteristica di tutti i circuiti elettronici è rappresentata dal rumore: una fluttuazione casuale di un segnale elettrico generato da dispositivi elettronici.

Fig. 3 – Schema a blocchi di un software per un DAQ su bus VME

La parte principale del sistema DAQ è il software, necessario per l’hardware al fine di lavorare con un PC. Il software di acquisizione dati (Fig. 3) può essere scritto in una varietà di lingue (ad esempio linguaggio C) e può essere utilizzato per la particolare applicazione. In alternativa, ci sono una serie di pacchetti software di acquisizione dati propri che sono disponibili e possono essere utilizzati (National Instruments con LabVIEW).

Solitamente, il software del DAQ è composto da un file testo di interfaccia utente (TUI) consistente in un file di configurazione ASCII e un’interfaccia utente grafica (GUI), per esempio, un browser web. Entrambe le interfacce consentono la gestione del DAQ e la personalizzazione senza il bisogno di ricompilare i sorgenti, garantendo così il pieno controllo dell’acquisizione anche ai programmatori inesperti. Il file di configurazione è scritto in un linguaggio di alto livello (meta linguaggio) ed è facilmente modificabile dall’operatore.

La GUI funziona a un livello superiore rispetto al file di configurazione ASCII e aiuta l’operatore nella preparazione della documentazione di configurazione e nel controllare l’acquisizione. L’utilizzo dell’interfaccia Web non richiede alcuna conoscenza del file di configurazione (sintassi) evitando errori “grammaticali”. Spetta all’operatore di scegliere la TUI o GUI quando si modifica la configurazione DAQ.

Parametri di un DAQ

Accuratezza e precisione

Nel campo della scienza, l’accuratezza di un sistema di misura è il grado di vicinanza della misura di una quantità. La precisione di un sistema di misura, invece, è chiamata riproducibilità o ripetibilità delle misure. Precisione relativa è una misura che indica la capacità dei sistemi di acquisizione dati di correggere i codici di uscita in base al suo fondo scala.

Rumore

Ogni misura genera rumore come combinazione di più segnali. Si tratta di interferenze tra i due terminali. Un fattore, rumore di modo comune, indica l’interferenza che appare su entrambi gli ingressi di misura. La maggior parte dei disturbi di modo comune è attribuibile a 50 Hz (o 60 Hz) frequenza di rete.

Fig. 4 – Settling time

Il tempo di assestamento (Fig. 4) di un dispositivo elettronico è il tempo trascorso dall’applicazione di un ingresso a gradino ideale per il tempo in cui il valore di uscita è entrato e rimane compreso nell’errore specificato. I parametri che possono descrivere il tempo di assestamento sono i seguenti: ritardo di propagazione e il tempo necessario per ottenere il valore di uscita.

Tempo di acquisizione

È una caratteristica dei sistemi di acquisizione dati che indica la presenza di un convertitore analogico-digitale. Definisce il tempo per passare da una situazione (analogico) a una nuova (digitale) in base alla precisione del sistema.

Input DC

Esso indica il valore della tensione e corrente di offset e correnti di polarizzazione di dispositivi elettronici.

Design e scelta dell’Hardware per un DAQ

Oggi, un sistema informatico industriale è utilizzato in molte applicazioni ed è composto da semplici personal computer stand-alone o sistemi basati su microprocessore per realizzare una rete completa di minicomputer. Tali sistemi sono utilizzati in molte applicazioni di DAQ in real time tra cui il controllo di processo e monitoraggio. La progettazione di sistemi di acquisizione dati è un processo oscuro.

Fig. 5 – Design funzionale

È possibile considerare la progettazione del sistema in due fasi principali: la progettazione funzionale e il progetto definitivo. Il design funzionale è visualizzato in figura 5. Il primo passo consiste nel valutare i requisiti in base all’utente. Il secondo passo è quello di tradurre le esigenze specifiche di criteri elettrici, per esempio: precisione e larghezza di banda. Alla fine, il terzo passo è stabilire una configurazione specifica del sistema.

Per la scelta dell’hardware bisogna tener conto di alcune regole alle quali un progettista deve rispondere in accordo ai parametri di un DAQ:

• Quali segnali devo misurare/gestire?
• Quanto veloce devo acquisire i segnali?
• Qual è la sensibilità del sistema?
• Qual è il margine di errore tollerato?

Una delle caratteristiche più importanti di un dispositivo DAQ è la velocità di campionamento che equivale al tempo di campionamento dell’ADC del dispositivo DAQ (tempo di acquisizione).

Nel corso dei prossimi articoli cercheremo di approfondire questi punti per definire un possibile DAQ Embedded andando ad analizzare la cosa anche dal punto di vista commerciale.

Maurizio Di Paolo Emilio

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