Come realizzare un sistema di acquisizione dati compatto

L'acquisizione dati (DAQ) è una funzione centrale per varie attività di ricerca e ingegneria, dalla convalida e verifica di un progetto alle prove di vita accelerata e di produzione. Mentre gli elementi chiave di un sistema DAQ sono semplici - sensori, hardware di misurazione e software - al di là di questi, le cose possono diventare complicate.

Il sistema può dover misurare un'ampia varietà di fenomeni fisici, quindi deve essere flessibile e scalabile, ma anche robusto e affidabile - e il costo è sempre un fattore. Di conseguenza, specificare e creare un sistema di acquisizione dati è complesso. Se il sistema è sovraspecificato, sarà anche costoso e potenzialmente ingombrante da usare. Se è sottospecificato, sarà inadatto ai compiti attuali o futuri. Per risolvere il dilemma, i progettisti possono adottare un approccio modulare che parte da un telaio robusto e ad alte prestazioni con più slot per aumentare le prestazioni di elaborazione, caratteristiche e opzioni di connettività nel tempo.

Questo articolo passa in rassegna le metriche prestazionali dei sistemi di acquisizione dati che si devono conoscere, compresa la digitalizzazione dei segnali analogici, il teorema di campionamento di Nyquist e l'aliasing, gli intervalli di ingresso, le velocità di campionamento e il campionamento multiplato rispetto a quello simultaneo. Presenta quindi un approccio modulare basato su un telaio CompactDAQ di National Instruments, moduli I/O analogici e digitali e componenti software tra cui varie scelte per l'ambiente di sviluppo, i driver e gli strumenti di analisi/reportistica.

Requisiti DAQ e metriche prestazionali

Come menzionato, un DAQ di livello base comprende sensori, condizionamento del segnale, convertitori analogico/digitali (ADC), processori e software associato (Figura 1). Il compito dei progettisti consiste nell'abbinare gli elementi del sistema a ciò che viene misurato e analizzato, tenendo sotto controllo i costi e il tempo di installazione.

Figura 1: I sistemi DAQ consistono di sensori, dispositivi di misurazione DAQ che forniscono il condizionamento del segnale e la conversione dei dati e risorse di calcolo comprendenti driver e software applicativo. (Immagine per gentile concessione di NI)

Per abbinare gli elementi, è importante capire che la precisione, l'ampiezza e la frequenza del segnale sono i parametri fondamentali di un sistema DAQ. Questi si traducono rispettivamente in risoluzione, intervallo e velocità di misurazione. In molte applicazioni, la risoluzione è la considerazione più importante, poiché definisce il numero di valori di misurazione disponibili. Ad esempio, un dispositivo con risoluzione a 3 bit può misurare 8 valori possibili (2³), mentre un dispositivo con risoluzione a 6 bit può misurarne 64 (2⁶) (Figura 2). Una maggiore risoluzione si traduce in misurazioni che riflettono più accuratamente il segnale.

Figura 2: La precisione in un dispositivo DAQ si traduce in risoluzione; un dispositivo DAQ con risoluzione a 6 bit fornisce 8 volte la quantità di informazioni (è 8 volte più preciso) di un dispositivo con risoluzione a 3 bit. (Immagine per gentile concessione di NI)

Un dato ADC sarà destinato a misurare un intervallo di ingresso impostato come ±10 V e la risoluzione del dispositivo DAQ si applica all'intervallo totale. Se la misurazione riguarda un intervallo più piccolo, come ±2 V, il risultato è una misurazione frazionaria (in questo caso, circa il 20%) della risoluzione specificata del dispositivo DAQ (Figura 3). L'utilizzo di un dispositivo DAQ con intervalli di ingresso selezionabili può risolvere questo problema. Gli intervalli di ingresso comuni includono ±10 V, ±5 V, ±1 V e ±0,2 V. Scalando il campo di ingresso per adattarlo al campo del segnale si ottiene una misurazione di qualità superiore.

Figura 3: L'uso di un dispositivo DAQ con risoluzione a 3 bit e un intervallo di ±10 V (linee rosse a sinistra e linee gialle tratteggiate sopra e sotto l'intervallo rispettivamente) per misurare un segnale di ±2 V (sinusoide bianca) comporta una significativa perdita di precisione. (Immagine per gentile concessione di NI)

Frequenza di campionamento, Nyquist e sovracampionamento

La frequenza di campionamento è la velocità con cui l'ADC converte l'ingresso analogico in dati digitali. La frequenza di campionamento e la risoluzione possono essere inversamente correlate. Frequenze di campionamento più elevate sono spesso possibili solo riducendo i bit di risoluzione, perché una frequenza più alta dà meno tempo all'ADC di digitalizzare il segnale. Di conseguenza, è importante ottimizzare la frequenza di campionamento.

Il teorema di campionamento di Nyquist è utile in questi casi e afferma che una frequenza di campionamento, f_s, che supera il doppio della frequenza massima del segnale porterà a una misurazione accurata della frequenza del segnale originale. Questa è chiamata la frequenza di Nyquist, f_N. Per misurare accuratamente la forma e la frequenza del segnale originale, il teorema di Nyquist richiede che f_s sia da 5 a 10 volte la frequenza massima del segnale. L'utilizzo di una frequenza di campionamento superiore a f_N è chiamato sovracampionamento.

Oltre a f_N, l'aliasing e il ghosting sono problemi da affrontare quando si ottimizza f_s. L'aliasing è un effetto che causa una distorsione nello spettro di un segnale campionato a causa della frequenza di campionamento troppo bassa per acquisire accuratamente il contenuto ad alta frequenza. Il sovracampionamento può eliminare l'aliasing. Il sovracampionamento è anche utile per catturare i bordi veloci del segnale, gli eventi singoli e i transitori. Tuttavia, se f_s è troppo alta, può verificarsi un fenomeno chiamato ghosting durante il campionamento multiplato.

Ad alte frequenze di campionamento multiplate, il tempo di assestamento di ogni canale di ingresso diventa un problema. Il ghosting avviene quando la frequenza di campionamento supera il tempo di assestamento del dispositivo DAQ. A quel punto, i segnali sui canali adiacenti interferiscono, causando il ghosting e misurazioni imprecise (Figura 4).

Figura 4: A sinistra, la frequenza di campionamento è abbastanza bassa da permettere un adeguato assestamento tra le misurazioni sui canali 0 (rosso) e 1 (blu). Sulla destra, il ghosting si verifica perché la frequenza di campionamento è troppo alta e il canale 0 sta influenzando la misurazione sul canale 1. (Immagine per gentile concessione di NI)

La frequenza di campionamento effettiva di un dispositivo DAQ è influenzata dalla scelta di un'architettura simultanea o multipla. Il campionamento simultaneo utilizza un ADC per canale di ingresso e fornisce la piena frequenza di campionamento su tutti i canali, indipendentemente dal numero di canali (Figura 5).

Il campionamento simultaneo permette di acquisire più campioni contemporaneamente. Un'architettura simultanea è relativamente costosa e implica l'uso di più componenti che possono limitare il numero di canali disponibili in un singolo dispositivo DAQ. In un'architettura multiplata, viene utilizzato un multiplexer (mux) per condividere un singolo ADC tra tutti i canali, riducendo la velocità massima disponibile per ogni canale. I campioni sono acquisiti in serie con ritardi tra i canali. Le architetture multiplate costano meno e possono risultare in un dispositivo DAQ con una maggiore densità di canali.

Figura 5: Il campionamento simultaneo fornisce l'intera velocità dati su tutti i canali, mentre nel campionamento multiplato l'intera frequenza di campionamento è condivisa tra tutti i canali, risultando in una velocità inferiore per canale. (Immagine per gentile concessione di NI)

Realizzare un sistema DAC compatto

Il primo passo nella creazione di un sistema DAC è la scelta del telaio CompactDAQ. I telai sono disponibili con vari bus di comunicazione, tra cui PCI e PCI Express (PCIe), High-Speed USB, PXI e PXI Express (PXIe) ed Ethernet 2.0, da uno a 14 slot per i moduli I/O C Series di NI. Ad esempio, 781156-01 ha otto slot e un'interfaccia USB 2.0 (Figura 6). Si possono aggiungere altri tipi di misurazione e canali al sistema semplicemente inserendo altri moduli. Tutti i moduli sono rilevati automaticamente e sincronizzati con il clock nel backplane dello telaio.

Figura 6: Il telaio 781156-01 CompactDAQ ha otto slot e un'interfaccia USB 2.0 High-Speed. (Immagine per gentile concessione di NI)

Il bus di comunicazione è un aspetto importante delle specifiche del telaio (Tabella 1). I 60 Mbps forniti da USB sono adeguati per la maggior parte delle applicazioni e USB ha una buona flessibilità e portabilità. Ethernet può supportare distanze su cavo superiori e sistemi di acquisizione dati distribuiti in applicazioni fisicamente grandi. I bus PCI e PCIe permettono ai dispositivi di essere collegati a un computer desktop per la registrazione e l'analisi dei dati. I bus PXI e PXIe sono simili a PCI e PCIe, ma offrono capacità di sincronizzazione superiori, per il consolidamento e il confronto di grandi quantità di dati.

Tabella 1: La selezione del bus di comunicazione DAQ è un aspetto importante della selezione del telaio. Il bus dovrebbe essere abbinato alle velocità di trasmissione dati necessarie, alle distanze e al requisito di portabilità. (Immagine per gentile concessione di NI)

Una volta selezionato il telaio, i progettisti possono scegliere tra oltre 60 moduli C Series per applicazioni di misurazione, controllo e comunicazione. Sono disponibili moduli C Series che possono connettersi virtualmente a qualsiasi sensore o bus e consentono misurazioni di alta precisione che soddisfano le richieste delle applicazioni di DAQ e di controllo (Figura 7). Questi moduli sostituibili a caldo forniscono il condizionamento del segnale di misurazione specifico per filtrare il rumore e isolare i dati, la conversione analogico/digitale, più svariati connettori di ingresso.

Figura 7: I moduli C Series hanno un fattore di forma comune, possono essere inseriti a caldo in qualsiasi telaio CompactDAQ e sono disponibili con una varietà di connettori di ingresso per soddisfare le esigenze di diverse applicazioni. (Immagine per gentile concessione di NI)

I moduli C Series possono essere utilizzati per molte funzioni di DAQ e di controllo, tra cui:

• I moduli di ingresso analogico hanno fino a 16 canali per la connettività con sensori di tensione, di corrente e comuni per misurare temperatura, suono, deformazione, pressione, carico, vibrazioni e altro.
  • NI 9239 è un modulo di ingresso analogico generico a quattro canali. Ogni canale fornisce un intervallo di misurazione di ±10 V con una risoluzione di 24 bit ed emette 50 ksps di dati alla sua massima frequenza di campionamento.
• I moduli di uscita analogici sono disponibili con 2, 4 e 16 canali e possono essere utilizzati per generare segnali di tensione e controllare attuatori industriali azionati dalla corrente.
  • NI 9263 è un modulo di uscita analogico a quattro canali con calibrazione tracciabile NIST (National Institute of Standards and Testing), oltre a protezione da sovratensione, da cortocircuito, alta velocità di variazione e alta precisione.
• I moduli di ingresso e uscita digitali possono essere utilizzati per generare e leggere segnali digitali. I moduli di ingresso digitali sono disponibili con 4, 6, 8, 16 e 32 canali, i moduli di uscita e bidirezionali sono offerti con 8, 16 e 32 canali.
  • NI 9423 è un modulo di ingresso digitale a otto canali compatibile con segnali a 24 V progettato per funzionare con livelli logici e segnali industriali per il collegamento diretto a una serie di interruttori industriali, trasduttori, sensori e altri dispositivi.
  • NI 9472 è un modulo di uscita digitale a otto canali compatibile con segnali da 6 a 30 V e può collegarsi direttamente a una moltitudine di dispositivi industriali come attuatori, relè e motori.

Integrazione software

Il passo finale nella creazione di un sistema DAQ compatto è il software. L'interfaccia di programmazione di applicazioni (API) NI-DAQmx funziona direttamente con molteplici opzioni di sviluppo tra cui LabVIEW, C, C# e Python. L'API supporta il funzionamento senza soluzione di continuità attraverso tutti i dispositivi DAQ di NI e riduce al minimo lo sviluppo ripetuto derivante da aggiornamenti o modifiche hardware; include l'accesso alla documentazione, file di guida e numerosi esempi software pronti per avviare lo sviluppo di applicazioni.

Gli sviluppatori possono selezionare il livello di programmazione necessario per ogni progetto (Figura 8). Il software di registrazione dati FlexLogger è un ambiente di sviluppo intuitivo per la configurazione incentrata sui sensori e può integrarsi con LabVIEW di NI per l'analisi personalizzata. L'uso di LabVIEW supporta l'opzione di configurare l'hardware usando pannelli di analisi interattivi o un ambiente di programmazione completo. Gli sviluppatori esperti possono utilizzare la maggior parte dei linguaggi di programmazione per interfacciarsi direttamente con l'API DAQmx per la personalizzazione e maggiori prestazioni.

Figura 8: Un diagramma di flusso di selezione del software di acquisizione dati mostra come gli sviluppatori possono selezionare il livello di programmazione desiderato per ogni progetto. (Immagine per gentile concessione di NI)

Conclusione

Progettare una DAQ può essere complesso se si parte da zero. I sensori, il condizionamento del segnale, l'elaborazione, l'I/O e il software devono soddisfare i requisiti ma essere flessibili per consentire modifiche e aggiornamenti nel tempo. Invece di ammassare una serie disparata di elementi, gli sviluppatori possono optare per un approccio modulare e progettare in modo rapido ed efficiente un sistema DAQ compatto comprendente sensori, hardware e software sostituibili nel tempo quando cambieranno i requisiti dell'applicazione.

Inoltre, l'approccio mostrato in questo articolo supporta vari bus di comunicazione, tra cui PCI e PCIe, High-Speed USB, PXI e PXIe ed Ethernet 2.0 per soddisfare specifici requisiti di sistema. Si avvale di moduli sostituibili a caldo per fornire il condizionamento del segnale di misurazione specifico per filtrare il rumore e isolare i dati, la conversione analogico/digitale e una selezione dei tipi di connettori di ingresso. È anche flessibile e può essere integrato con vari applicativi software di misurazione tra cui LabVIEW, C, C# e Python.

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1. Come progettare un sistema di acquisizione dati multicanale per uso generale