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Adquisición de Datos

Unidad VI SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS. 6.1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE ADQUISICION DE DATOS. Hoy en día, son muchos los ingenieros y científicos que están utilizando las computadoras personales en sus investigaciones de laboratorio, control industrial, sistemas de prueba y medición, etc. Estas y otras aplicaciones son desarrolladas a través de sistemas de adquisición de datos. Un sistema de adquisición de datos (DAQ) basado en computadora personal está formado por los elementos mostrados en la figura 6.1. * Computadora Personal. * Traductores y actuadores. * Acondicionamiento de Señales. * Hardware de Adquisición. * Hardware de Análisis. * Software. Acondicionamiento de Señales

Tarjeta de Adquisición de Datos

Computadora

Transductores

Software

Figura 6.1 Arquitectura de un Sistema de Adquisición de Datos.

Dr. Gerardo Trujillo Schiaffino

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6.2. TRANSDUCTORES Y ACTUADORES. 6.2.1. Transductores. Los transductores son dispositivos que sensan un fenómeno físico, químico o biológico y proporcionan una señal eléctrica que contenga la información de dicho fenómeno. Por ejemplo, termopares, RTDs, termistores, y sensores IC convierten la temperatura en una señal analógica que los ADCs pueden medir. Otros ejemplos incluyen galgas extensométricas, transductores de flujo, y transductores de presión, los cuales miden fuerza, flujo y presión respectivamente. En cada caso, la señal eléctrica producida es proporcional al parámetro físico que esta monitoreando. Para mayor información sobre transductores diríjase al anexo A.

6.2.2. Actuadores. Los actuadores, al contrario de los transductores, son dispositivos que transforman una señal eléctrica de control en una acción física como abrir o cerrar una válvula o encender o apagar un motor. Existen muchos tipos de actuadores, entre ellos los eléctricos, hidráulicos y neumáticos para controlar motores, fluidos y flujos de aire respectivamente. Para mayor información sobre actuadores diríjase al anexo B

6.3. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES. La señal eléctrica generada por el transductor debe ser convertida a una forma que la tarjeta de adquisición pueda aceptar. Los accesorios de acondicionamiento de señales pueden amplificar señales de bajo nivel, y también aislarlas y filtrarlas para mediciones más precisas. El acondicionamiento de señales puede también excitar y linealizar ciertos tipos de transductores.

6.3.1. Amplificación. El más común tipo de conversión es la amplificación. Las señales de bajo nivel de los termopares por ejemplo deben ser amplificadas para aumentar la resolución y reducir el ruido. Para obtener la más alta precisión posible es necesario amplificar la señal para que la máxima variación de esta sea igual al rango máximo de entrada del ADC.

6.3.2. Aislamiento. Otra aplicación común del acondicionamiento de señales es aislar la señal del transductor de la computadora con propósitos de seguridad. El sistema cuando empieza a ser monitoreado, contiene transitorios de alto voltaje que pueden dañar la computadora. Una razón adicional para necesitar aislamiento es estar seguros de que las lecturas en tarjeta DAQ no son afectadas por diferencias en potenciales de tierra o voltajes de modo común. Cuando las entradas de la tarjeta DAQ y la señal que es adquirida están referenciadas a su propia tierra, pueden existir problemas si hay diferencia de potencial entre ambas tierras. Esta diferencia ocasiona lo que se conoce como lazo de tierra lo que puede causar una representación inexacta de la señal adquirida, o bien, si es demasiado grande puede dañar el sistema de

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medición. Utilizando módulos aisladores de acondicionamiento de señales se elimina el lazo de tierra y se asegura que la señal es adquirida con exactitud.

6.3.3. Filtrado. El propósito de un filtro es remover señales indeseadas de la señal que se trata de medir. En señales de tipo DC como la temperatura, se utiliza un filtro de ruido para atenuar las señales de alta frecuencia que pueden reducir la exactitud de la medición. Las señales del tipo AC como las vibraciones, necesitan un tipo diferente de filtro conocido como filtro antialiasing. Al igual que el filtro de ruido, el filtro antialiasing es también un filtro pasa bajo, solo que su pendiente de corte es muy pronunciada, para remover completamente todas las frecuencias de la señal que son más grandes que el rango de entrada de la tarjeta de adquisición. Si estas frecuencias no son removidas, aparecerán erróneamente como señales adicionales en el rango de frecuencias de la tarjeta.. Las tarjetas de adquisición diseñadas específicamente para medición de señales del tipo AC, al igual que las tarjetas para adquisición dinámica, tienen inter-construidos los filtros antialiasing de entrada.

6.3.4. Excitación. El acondicionador de señales también puede generar la excitación para algunos transductores. Las galgas extensométricas, los termistores y las RTDs, por ejemplo, requieren señales de excitación externa de voltaje o corriente. Los módulos de acondicionamiento de señales para estos transductores usualmente proporcionan estas señales. Las mediciones con RTD son generalmente hechas con una fuente de corriente que convierte las variaciones de resistencia en un voltaje medible. Las galgas extensométricas, las cuales son dispositivos de muy baja resistencia, normalmente se utilizan en configuración de Puente de Wheastone con una fuente de excitación de voltaje.

6.3.5. Linealización. Otra función común de los acondicionadores de señales es la linealización. Muchos transductores, como los termopares, tienen una respuesta no lineal a los cambios en el fenómeno medido. Esto hace necesario contar con módulos linealizadores de acondicionamiento de señales para convertir estas señales no lineales en señales lineales. Para mayor información en el tema de acondicionadores de señales diríjase al anexo C.

6.4. TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS. Cuando hablamos de hardware de adquisición, nos referimos a una tarjeta de adquisición de datos (DAQ), la cual comúnmente es una tarjeta insertable que se coloca dentro de la computadora para digitalizar señales analógicas de manera tal que la computadora pueda disponer de la información contenida en ellas. Dependiendo de la tarjeta en particular de que se trate puede variar el número, características y tipo de entradas/salidas que contenga, sin embargo, una tarjeta DAQ genérica cuenta con: entradas analógicas, salidas analógicas,

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entradas/salidas digitales y entradas/salidas temporizadas. La figura 6.2 muestra una tarjeta DAQ genérica.

Bus Computacional

Entradas Analógicas Salidas Analógicas Entradas / Saldas Digitales Entradas / Salidas Temporizadas

Fig.6. 2 Tarjeta de Adquisición de Datos.

6.4.1. Señales Analógicas. Antes de entrar en detalle sobre las principales características que deben tomarse en cuenta en las entradas analógicas de las tarjetas de adquisición de datos, es conveniente repasar algunos conceptos importantes sobre las señales analógicas que se analizarán con ellas. Las señales analógicas se pueden dividir en tres categorías básicas dependientes del tipo de información que contienen: D.C., dominio del tiempo y dominio de la frecuencia. La figura 6.3 muestra esta clasificación.

Nivel D.C.

t

Señales Analógicas

Dominio del Tiempo

Forma

t Dominio de la Frecuencia

Contenido de Frecuencias

f Fig. 6.3 Tipos de Señales Analógicas.

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En las señales analógicas D.C. la información se encuentra contenida en el nivel de la misma, es decir, en este tipo de señales solo nos interesa la magnitud de esta. En las señales analógicas en el dominio del tiempo la información está contenida en la forma de la señal, es decir, en este tipo de señales nos interesa el comportamiento que tiene el nivel con respecto al tiempo. En las señales analógicas en el dominio de la frecuencia la información está contenida en la magnitud de las frecuencias presentes en la señal, es decir, lo que nos interesa en este tipo de señales es el espectro de frecuencias de la señal. Las señales pueden ser de dos tipos: fuente referenciada o fuente no referenciada. También se conoce a las señales de fuente referenciada como señales aterrizadas, y a las señales de fuente no referenciada como señales flotantes. En las fuentes de señal aterrizada se tienen señales de voltaje que están referenciadas a un sistema de tierra. En la figura 6.4 se muestra una fuente de este tipo, donde podemos apreciar que una de las terminales de salida está conectada a la tierra del sistema.

+

-

Vs

Tierra Fig.6.4 Fuente de Señal Aterrizada.

Las fuentes de señal flotante contienen una señal cuyo voltaje no está conectado a una referencia absoluta, como tierra o chasis. Un ejemplo común de este tipo de fuentes de señal son las baterías, los termopares, los transformadores, los amplificadores de aislamiento y algunos instrumentos con salidas flotantes. En la figura 6.5 se muestra una fuente de señal flotante donde se puede observar que ninguna de las terminales de salida está conectada a la terminal de tierra.

+

-

Vs

Tierra Fig. 6.5 Fuente de Señal Flotante.

Teniendo en cuenta estos aspectos fundamentales sobre las señales analógicas, podemos entonces dar paso al análisis de las principales características que deben considerarse en las entradas analógicas de las tarjetas de adquisición de datos. Dr. Gerardo Trujillo Schiaffino

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Las especificaciones de las entradas analógicas proporcionan información tanto en las capacidades como en la exactitud de la tarjeta de adquisición de datos. Las especificaciones básicas que se proporcionan en los productos de adquisición de datos nos dicen: número de canales de entrada, modo de medición, resolución, rango de voltaje de entrada razón de muestreo, resolución y rango de entrada.

6.4.2. Líneas de Entrada Analógica. Una de las funciones principales de una tarjeta de adquisición de datos es proporcionar líneas de entrada que le permitan a la computadora capturar señales analógicas. Los principales parámetros que se deben tener en cuenta para la selección de la tarjeta de adquisición adecuada para una aplicación dada son: número de canales de entrada y modos de medición, resolución, rango de voltaje del dispositivo, rango de voltaje de la señal, razón de muestreo, tiempo de establecimiento y ruido

Número de Canales de Entrada y Modos de Medición. Es importante conocer el número de canales de entrada con que cuenta la tarjeta DAQ, este se deberá especificar tanto para modo diferencial como para modo desbalanceado en tarjetas que tengan ambos tipos de entrada. Las entradas desbalanceadas pueden ser referenciadas o no referenciadas.

A) Sistemas de Medición Diferencial (DIF). En un sistema de medición diferencial, no es necesario conectar ninguna de las entradas a una referencia fija, tal como tierra o chasis. Las entradas analógicas en las tarjetas de adquisición de datos cuentan normalmente con un amplificador de instrumentación que puede ser configurado como sistema de medición diferencial. La figura 3.6 muestra un sistema de medición diferencial de 8 canales utilizado en algunas tarjetas DAQ. El uso de multiplexores analógicos (AMUX) incrementa el número de canales de medición utilizando un solo amplificador de instrumentación. Para este caso, la terminal etiquetada AIGND (tierra para entradas analógicas) es la tierra del sistema de medición. En general, es preferible un sistema de medición diferencial ya que no solo rechaza los errores inducidos por lazos de tierra, sino también hasta ciertos límites también el ruido colectado del sistema. Se deberá usar los sistemas de medición diferencial cuando las señales de entrada cumplan con los siguientes criterios:  Señales de bajo nivel. (menores de 1 v.).  Alambrado largo o no blindado a través de ambientes ruidosos.  Alguna de las señales de entrada requiere un punto de referencia de tierra o retorno de señal independiente.

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Amplificador de Instrumentación

AMUX CH0+ CH1+ CH2+ . . . CH7+

+ AMUX -

CH0CH1CH2. . . CH7-

+ Vm -

AIGND

Fig.6.6 Sistema de Medición Diferencial de 8 Canales.

Un sistema de medición diferencial ideal solo lee la diferencia de potencial entre las terminales de entrada (+) y (-). Cualquier voltaje presente en las entradas del amplificador con respecto a la tierra del mismo amplificador es llamado voltaje de modo común. Un sistema de medición diferencial ideal rechaza (no mide) los voltajes de modo común. La figura 3.7 muestra la representación de este voltaje. Amplificador de Instrumentación

Voltaje de la Señal Voltaje de Modo Común, Potencial de Tierra, Ruido, etc.

+ Vs -

+ -

+ Vcm -

+ Vm -

Fig. 6.7 Voltaje de Modo Común.

B) Sistema de Medición Desbalanceada Referenciada (RSE) Un sistema de medición desbalanceado referenciado (Referenced Single-Ended ) tiene todas sus entradas de medición referenciadas a la tierra del sistema. La figura 3.8 muestra un sistema de medición desbalanceado referenciado de 16 canales de entrada donde se puede notar que todas las señales de entrada deben estar referenciadas a la tierra del sistema denominada AIGND (Analog Input Ground). Dr. Gerardo Trujillo Schiaffino

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CH0+ CH1+ CH2+ . . .

Amplificador de Instrumentación

+

CH15+ AMUX

+ Vm -

AIGND

Fig. 6.8 Sistema de Medición RSE de 16 Canales.

C) Sistema de Medición Desbalanceado No Referenciado (NRSE). Las tarjetas de adquisición de datos en ocasiones ofrecen una variante de la técnica de medición RSE, conocida como sistema de medición desbalanceada no referenciada (Nonreferenced Single-Ended), donde todas las mediciones se hacen con respecto a una referencia común, es decir, todas las señales de entrada tienen una referencia a tierra. Sin embargo, esta tierra no es la misma que la tierra del sistema de medición. En la figura 3.9 se muestra un sistema de medición desbalanceado no referenciado donde la terminal AISENSE es la referencia común para tomar las mediciones y la terminal AIGND es la tierra del sistema, nótese que todas las señales de entrada están referenciadas a AISENSE. La configuración desbalanceada, tanto la referenciada como la no referenciada, nos proporciona el doble de canales de medición y es aceptable cuando la magnitud del error inducido es más pequeña que la exactitud requerida en los datos.

CH0+ CH1+ CH2+ . .

Amplificador de Instrumentación

+

CH15+

AMUX

-

AISENSE AIGND

+ Vm -

Fig. 6.9 Sistema de Medición NRSE de 16 Canales.

Los sistemas de medición desbalanceados se pueden utilizar cuando todas las señales de entrada cumplen los siguientes criterios: Dr. Gerardo Trujillo Schiaffino

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 Señales de alto nivel (normalmente mayores de 1 v.)  Cableados cortos y apropiadamente blindados a través de ambientes libres de ruido.  Todas las señales tiene una referencia común en la fuente de las mismas. Si no se cumple alguno de estos criterios se recomienda utilizar un sistema de medición diferencial.

Resolución. Una vez definidas las características de las señales y el sistema de medición adecuado para ellas debemos recordar que todavía tenemos una señal analógica, la cual debe ser convertida por un convertidor analógico-digital (ADC) en una señal digital que pueda ser entendida por la computadora. Algunas de las características que deben tomarse en cuanta para una adecuada digitalización son: la resolución del ADC, el rango de voltaje de la entrada de la tarjeta digitalizadora y el rango de voltaje de la señal que se va a digitalizar. El número de bits utilizado para representar una señal analógica determina la resolución del ADC. Se podría comparar la resolución con la graduación de una regla. Entre más marcas se tengan es más precisa la medición. De manera similar, a mayor resolución en un convertidor ADC, será mayor el número de segmentos en que el sistema puede dividir la señal de entrada, y por lo tanto, es más pequeño el mínimo cambio de voltaje detectable. Un ADC de 3 bits divide el rango en 23 o 8 divisiones. Un código binario o digital entre 000 y 111 representa cada división. El ADC traduce cada medición de la señal analógica a una de las divisiones digitales. La Figura 6.10 muestra una onda senoidal representada digitalmente con un convertidor ADC de 3 bits. Claramente se puede ver que la representación digital no es una buena representación de la señal analógica original debido a que se pierde mucha información en la conversión ya que el convertidor tiene unos cuantos códigos digitales para representar una infinidad de niveles analógicos Aumentando la resolución a 16 bits se aumenta el número de códigos de 8 a 65,536 (216), con lo cual el ADC podría obtener una representación digital extremadamente exacta de la señal analógica.

a)

b)

c)

Figura 6.10 a) Representación de una Señal Senoidal b) con resolución de 3 bits c) con resolución de 16 bits

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Rango de Voltaje del Dispositivo. El rango de entrada de voltaje del dispositivo se refiere a los voltajes máximo y mínimo que pueden ser digitalizados por el ADC. Las tarjetas DAQ multifunción ofrecen generalmente rangos seleccionables para poder configurar la tarjeta para manejar una variedad de niveles de entrada. Con esta flexibilidad se tiene la ventaja de poder obtener la mejor resolución posible para medir la señal de manera más precisa. Por ejemplo, suponiendo que el ADC de 3 bits tiene un rango de 0 a 10 volts, este rango se divide en ocho segmentos de 1.25 volts cada uno. Si para este mismo ADC se selecciona un rango de - 10 a 10 volts, al dividir estos 20 volts entre los mismos ocho segmentos cada uno queda de 2.50 volts. De esta manera el voltaje detectable más pequeño aumenta de 1.25 a 2.50 volts, por lo que tendremos una representación mucho menos exacta de la señal analógica. La figura 6.11 muestra este efecto

a)

b)

c)

Figura 6.11. Efecto del rango de voltaje del dispositivo en la precisión del ADC a) Señal Aplicada, b) Rango 0 a 10 v., c) Rango -10 a 10 v.

Rango de Voltaje de la Señal. El rango de voltaje de la señal, también denominado límite establecido, es el máximo y mínimo voltaje de la señal que se va a medir. Con límites establecidos más precisos el ADC optimiza los códigos digitales disponibles para representar la señal analógica. Por ejemplo, usando un ADC de 3 bits y seleccionando un rango de entrada de dispositivo de 0 a 10 volts para medir una señal que solo varía de 0 a 5 volts, utilizando límites establecidos de 0 a 10 volts, el ADC solo podrá utilizar cuatro de los ocho códigos digitales para representar la señal, en cambio utilizando límites establecidos de 0 a 5 volts el ADC podrá utilizar los ocho códigos disponibles. La figura 6.12 muestra este efecto

a)

b)

c)

Figura 6.12. Efecto del rango de voltaje de la señal en la precisión del ADC a) Señal original, b) con límite establecido de 0 a 5 v., c) con límite establecido de 0 a10 v.

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La relación entre el rango de voltaje del dispositivo y el rango de voltaje de la señal está dada por la ganancia del amplificador de instrumentación utilizado en la tarjeta DAQ, normalmente las tarjetas cuentas cuentan con ganancias programables para este fin. El rango, la resolución y la ganancia de una tarjeta DAQ determinan el más pequeño cambio de voltaje detectable. Este cambio en voltaje representa 1 LSB del valor digital, y también es llamado ancho de código. El ancho de código ideal se encuentra dividiendo el rango entre la ganancia multiplicada por dos elevado a la potencia del número de bit de resolución. Por ejemplo, para el caso de una tarjeta DAQ con un rango de voltaje de entrada de 0 a 10 volts, una ganancia de 100 y resolución de 12 bits, el ancho de código es: 10 v. / (100 * 212) = 24.414 v. Para un dispositivo pero con rango de entrada de -10 a 10 volts el ancho de código es: 20 v. / (100 * 212) = 48.828 v. Por otro lado, si utilizamos el dispositivo original pero con una ganancia de 200, el ancho de código es: 10 v. / (200 * 212) = 12.207 v. Y finalmente, utilizando una resolución de 16 Bits. 10 v. / (100 * 216) = 1.525 v. Entre más pequeño sea el ancho de código las mediciones efectuadas serán más exactas.

Razón de Muestreo. La razón de muestreo determina la velocidad con que son tomadas las muestras. Una razón de muestreo más grande adquiere más puntos en un tiempo dado y puede de esta manera ofrecer una mejor representación de la señal original. Por ejemplo, una señal de audio convertida en señal eléctrica por un micrófono comúnmente tiene componentes de frecuencia hasta de 20 Khz. Para digitalizar apropiadamente esta señal, el Teorema de Muestreo de Nyquist nos dice que debemos muestrear a más del doble que la máxima componente de frecuencia que queremos detectar. Así, se necesita una tarjeta DAQ con una razón de muestreo más grande de 40 KS/s. El multiplexeo es una técnica común para medir varia señales con un solo ADC. El ADC muestrea un canal, se cambia a otro canal, lo muestrea, se cambia al siguiente canal y así sucesivamente. Debido a que un solo ADC está muestreando varios canales en vez de uno solo, la razón de muestreo efectiva para cada canal es inversamente proporcional al número de canales que muestrea. Como un ejemplo, una tarjeta con razón de muestreo de 100 KS/s sobre 10 canales, muestrea efectivamente cada canal a 10 KS/s. También es válido utilizar multiplexores analógicos externos para aumentar el número de canales que la tarjeta puede medir. La razón de muestreo disminuye proporcionalmente por la adición de multiplexores externos.

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Tiempo de Establecimiento. En una tarjeta DAQ típica, una señal analógica es primero seleccionada por un multiplexor, y luego amplificada a través de un amplificador de instrumentación antes de ser convertida a señal digital por el ADC. El amplificador de instrumentación deberá estar habilitado para seguir a la salida del multiplexor mientras este conmuta entre los distintos canales, y de esta manera alcanzar la exactitud del ADC. De no ser así, el ADC deberá convertir una señal que todavía no ha alcanzado su valor verdadero. El tiempo que requiere el amplificador de instrumentación para alcanzar una exactitud específica, es llamado tiempo de establecimiento. Un tiempo de establecimiento pobre es un problema grave, ya que la inexactitud usualmente varía con la ganancia y con la razón de muestreo. Si esto ocurre, la tarjeta DAQ no tendrá manera de enviar mensaje de error, ya que este ocurre en la etapa analógica. El amplificador de instrumentación es más propenso a no alcanzar el valor de la señal cuando se muestrean muchos canales a altas ganancia y con una elevada razón de muestreo. Cuando la aplicación está muestreando múltiples canales, el multiplexor está cambiando entre diferentes canales, lo que dificulta al amplificador seguir la señal con variaciones de voltaje significativas. En efecto, no tos loa amplificadores de Instrumentación pueden alcanzar una exactitud de 12 bits en menos de 5 s. cuando amplifican con una ganancia de 100.

Ruido. El ruido es cualquier señal no deseada que aparezca en la señal digitalizada de la tarjeta DAQ. Debido a que una computadora es un ambiente digital extremadamente ruidoso, los sistemas de adquisición de datos en tarjetas insertables para PC’s se deben diseñar cuidadosamente en tecnología multicapa. Simplemente colocando un ADC, un amplificador de instrumentación, y la circuitería para interfase de bus en un circuito impreso de una o dos caras, el resultado es una ruidosa tarjeta DAQ. Los diseñadores utilizan blindajes metálicos en las tarjetas DAQ para ayudar a reducir el ruido. Un blindaje apropiado no se obtiene tan solo blindando la secciones analógicas sensitivas, sino a través de del diseño de circuitos multicapas con planos de tierra. 1.00E 0

1.00E 0

1.00E-1

1.00E-1

1.00E-2

1.00E-2

1.00E-3

1.00E-3

1.00E-4

1.00E-4

1.00E-5

1.00E-5

1.00E-6

1.00E-6

1.00E-7

1.00E-7

1.00E-8

1.00E-8 1.00E-9

1.00E-9

-50 -40 -30 -20 -10 0

10 20 30 40 50

a)

-50 -40 -30 -20 -10 0

10 20 30 40 50

b) Figura.6.13 Ruido

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La Figura 6.13 muestra las gráficas de ruido D.C. para dos tarjetas DAQ diferentes, las cuales utilizan el mismo circuito ADC. De la gráfica de ruido se pueden determinar dos características: rango y distribución del ruido. La gráfica en la Figura 6.13a tiene una alta distribución de muestras en 0 y un muy pequeño número de puntos ocurriendo en otros códigos. La distribución es Gaussiana, lo cual es de esperarse para ruido aleatorio. Para esta gráfica, el nivel pico de ruido está entre 3 LSB. La gráfica en la Figura 6.13b corresponde a una tarjeta muy ruidosa, la cual tiene una distribución diferente. Esta tarjeta tiene ruido de más de 20 LSB, con muchas muestras ocurriendo en puntos diferentes a los esperados.

6.4.3. Salidas Analógicas. Para proporcionar estímulos a los sistemas DAQ, en ocasiones se requiere contar con algunas líneas de salida analógica. Las especificaciones de los DACs que determinan la calidad de la señal de salida producida son: tiempo de establecimiento, slew rate, y resolución.

Tiempo de Establecimiento y Slew Rate. El tiempo de establecimiento y el slew rate trabajan juntos para determinar que tan rápido el DAC puede cambiar el nivel de la señal de salida. El tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la salida en alcanzar la precisión especificada. El tiempo de establecimiento se especifica usualmente para un cambio de voltaje de escala completa. El slew rate es la máxima razón de cambio que el DAC puede producir en la señal de salida. Así, un DAC con un tiempo d establecimiento pequeño y un slew rate grande, puede generar señales de alta frecuencia, ya que se necesita un tiempo pequeño para cambiar con precisión la salida a un nuevo nivel de voltaje. Un ejemplo de aplicación que requiere un alto desempeño de estos parámetros es la generación de señales de audio. El DAC requiere de un pequeño tiempo de establecimiento y un gran slew rate para generar las altas frecuencias necesarias para cubrir el espectro de audio. En contraste, una aplicación en la cual no se requiere una rápida conversión digitalanalógica, es la señal de voltaje para controlar un calefactor, debido a que el calefactor no puede responder rápidamente a los cambios de voltaje.

Resolución. La resolución de una salida es similar a la resolución de una entrada. Es el número de bits en el código digital que genera una salida analógica. Un mayor número de bits reduce la magnitud de cada incremento en el voltaje de salida, lo que hace posible generar señales más continuas. Las aplicaciones que requieren un amplio rango dinámico con pequeños cambios incrementales en el voltaje de salida, necesitan salidas analógicas de alta resolución.

6.4.4. Puertos de Entradas / Salidas Digitales. Las interfaces de entrada salida digital son muy utilizadas en los sistemas DAQ basados en PC para controlar procesos, generar patrones de prueba, o comunicarse con equipos periféricos. Los componentes digitales de entrada/salida en las tarjetas DAQ consisten Dr. Gerardo Trujillo Schiaffino

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en hardware que genera o produce señales encendido/apagado. Como se muestra en la figura 6.14 todas las líneas digitales de una tarjeta DAQ están agrupadas en puertos. El número de líneas digitales por puerto es específico de cada dispositivo en particular, pero en la mayoría de los casos un puerto consiste en cuatro u ocho líneas. Escribiendo o leyendo un puerto se puede modificar o conocer simultáneamente el estado de todas las líneas del puerto.

Hardware Digital

Puerto de Salida

Líneas de Salida

Tarjeta DAQ Hardware Digital Puerto de Entrada

Líneas de Entrada

Figura 6.14. Puertos y Líneas Digitales.

En cada caso, los parámetros más importantes incluyen el número de líneas digitales disponibles, la razón de datos o velocidad a la cual se pueden utilizar estas líneas, y la capacidad de manejo de las mismas. Si las líneas digitales se utilizan para controlar eventos tales como encendido y apagado de calefactores, motores o luces, usualmente no se requiere una razón de datos muy grande, ya que estos equipos no responden muy rápidamente. Del número de líneas digitales disponibles, depende el número de eventos que pueden ser monitoreados o controlados. El único inconveniente es que la cantidad de corriente requerida para encender los dispositivos, debe ser menor que la corriente proporcionada por la línea digital de la tarjeta DAQ. Sin embargo, con el acondicionador de señales adecuado, se pueden utilizar las señales TTL de baja corriente para manejar niveles más altos de voltaje y corriente para dispositivos de uso industrial. Por ejemplo, el voltaje y corriente que se necesita para operar una electro-válvula industrial es del orden de 100 volts a.c. a 2 Amp., como las salidas digitales de una tarjeta DAQ proporcional solo 5 volts d.c. a unas cuantos miliamperes, es evidentemente necesario el uso de un acondicionador de señales para poder manejar la válvula. Otra aplicación común de las líneas digitales de entrada-salida es la de transferir datos entre la computadora y otros equipos, tales como registradores o procesadores de datos, impresoras, etc. Debido a que estos dispositivos usualmente transfieren los datos en incrementos de un byte (8 bits), las líneas digitales en las tarjetas DAQ estas agrupadas generalmente en puertos de 8 bits. Existen dos tipos de adquisición / generación digital: no-atrapada o inmediata y atrapada o protocolizada. En una salida digital no-atrapada o inmediata, el sistema actualiza las líneas digitales inmediatamente. Una salida atrapada o protocolizada es cuando el dispositivo acepta o transfiere el dato después de recibir un pulso. Existen a su vez dos tipos de entradas / salidas digitales protocolizadas: noalmacenadas y almacenadas. Una generación o adquisición no-almacenada se llega a cabo cuando el dispositivo digital genera o acepta un solo valor después de recibir el pulso de protocolo. Una generación / adquisición almacenada es necesaria cuando en vez de un solo valor se debe generar o aceptar un patrón digital después de recibir el pulso de protocolo. Dr. Gerardo Trujillo Schiaffino

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6.4.5. Líneas de Entradas / Salidas Temporizadas. Las tarjetas DAQ cuentan también con circuitería para temporizadores y contadores necesarios en algunas aplicaciones, por ejemplo, el conteo de eventos digitales ocurridos, temporizado de pulsos digitales y generación de ondas cuadradas y trenes de pulsos. Los contadores adicionan conteo y temporizado de alta precisión al sistema de adquisición de datos. Los contadores responden a señales TTL (Transistor Transistor Logic) en las cuales un nivel bajo o “cero lógico” está representado por 0 volts y un nivel alto o “uno lógico” está representado por 5 Volts. La figura 6.15 muestra una señal TTL.

+5 V. Transición de la Señal 0 V. Figura 6.15. Señal TTL

Aun cuando los contadores cuentan las transiciones de la señal TTL, esta capacidad de conteo se puede utilizar de muchas maneras: * * * * *

Generar pulsos TTL para señales de reloj y disparo de otras aplicaciones. Medir el ancho de pulso de una señal TTL. Medir la frecuencia y periodo de una señal TTL Contar las transiciones de una señal TTL o el tiempo asociado. Dividir la frecuencia de señales TTL.

La figura 6.16 muestra el modelo básico de un contador.

Compuerta

Salida

Registro de Conteo Fuente Fig. 6.16. Modelo de un Contador.

Un contador consiste de una terminal de entrada fuente, una terminal de entrada compuerta y una terminal de salida asociadas a un registro de conteo. Típicamente, un contador cuenta las transiciones de la señal en la entrada fuente. Sin embargo, se puede configurar al contador para contar tanto la transición de bajo a alto o la transición de alto a bajo. Para cada transición contabilizada, el contador incrementa o decrementa su registro de conteo interno. La compuerta es una entrada digital que habilita o deshabilita la función de un contador. Existen cuatro modos de compuerta: transición ascendente, transición descendente, nivel alto y nivel bajo. Dr. Gerardo Trujillo Schiaffino

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Finalmente, la salida genera la onda cuadrada o los trenes de pulsos en la línea digital de salida. Las especificaciones más importantes para la operación de un contador son: la resolución y la frecuencia de reloj. La resolución es el número de bits que utiliza el contador una resolución grande significa que el contador puede efectuar conteos más grandes. La frecuencia de reloj determina que tan rápido se puede cambiar la señal de la fuente. Con una frecuencia más grande el contador se incrementa más rápidamente y puede detectar señales de alta frecuencia en la entrada y generar pulsos de alta frecuencia o señales de onda cuadrada de alta frecuencia en la salida.

6.5. FUNCIONES DE SOFTWARE PARA ADQUISICION DE DATOS

Para comprender mejor la estructuración del software para adquisición de datos y su interacción con el hardware correspondiente, es conveniente analizar la figura 6.17.

Aplicación Final

Programa de Adquisición de Datos

Lenguaje de Programación

LabVIEW, LabWindows/CVI Measurement Studio

Software de Configuración

Manejadores de Hardware

Hardware de Adquisición de Datos

Measurement & Automation Explorer

NI-DAQ Tradicional NI-DAQmx

Interno PCI, PCMCIA, etc. Externo USB, RS232, etc.

Fig. 6.17. Estructura del software de adquisición de datos.

Para que un programa de adquisición de datos desarrollado en cualquier lenguaje de programación pueda interactuar con el hardware de adquisición, se requiere generalmente de

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una etapa de software intermedia que sirva como interfase entre el lenguaje de alto nivel y el hardware. En el caso de los productos de National Instruments este interfase se realiza en a través de la interacción de dos programas diferentes, un software controlador para el manejo propio del hardware llamado NI-DAQ y un software de configuración y prueba llamado Measurement & Automation Explorer.

6.5.1. Instalación del Hardware de adquisición. Debido a que el hardware de adquisición generalmente es PLug & Play, su instalación resulta bastante sencilla si se siguen estos sencillos pasos: a. Primero se instala el software de programación (LabVIEW, LabWindows/CVI, etc). b. Luego se instala el software de configuración (Measurement & Automation, etc). c. Después se instalan los controladores de hardware (NI-DAQ tradicional, NI-DAQmx, etc). d. Finalmente se instala el hardware (PCI, PCMCIA, USB, etc). El seguir esta secuencia de instalación garantiza que el Administrador de Configuración de Windows detecte y configure automáticamente el dispositivo DAQ agregado. Si se tiene que instalar un dispositivo DAQ que no es Plug & Play (dispositivo antiguo), este debe configurarse manualmente mediante la opción de Agregar Nuevo Hardware en el Panel de Control de Windows.

6.5.2. Controladores NI-DAQ Los dispositivos de adquisición de National Instruments incluyen el programa controlador NI-DAQ, Una colección de funciones especializadas para configurar y adquirir datos. NI-DAQ tiene dos controladores diferentes, el NI-DAQ tradicional y el NI-DAQmx, cada uno de ellos con su propia interfaz de programación de aplicaciones. NI-DAQ tradicional es el controlador soportado por una gran cantidad de hardware antiguo y representa la tecnología anterior de controladores de adquisición, sin embargo aun está disponible el mercado, por otro lado NI-DAQmx es la nueva generación de controladores soportado por las nuevas tecnologías de hardware de adquisición que a la larga representará la opción que prevalezca en el mercado. Dependiendo del tipo y del modelo del hardware de adquisición este pude soportar NIDAQ tradicional, NI-DAQmx o ambos. Los controladores NI-DAQ generalmente son proporcionados en forma CD con junto con el hardware de adquisición.

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Una vez instalados de manera correcta los controladores de NI-DAQ se tiene acceso a todas las funciones especializadas de adquisición de datos en LabVIEW siguiendo la trayectoria: Programming/Measurement I/O, tal como se muestra en la figura 6.18.

click NI-DAQmx

click NI-DAQ Tradicional

Fig. 6.18. Funciones de adquisición de datos agregadas por NI-DAQ.

6.5.3. Software de configuración Measurement & Automation Explorer (MAX). Measurement & Automation Explorer, también llamado MAX, es un programa que le permite a los diversos lenguajes de programación tener acceso a los recursos de hardware instalados en la computadora: dispositivos DAQ, interfases GPIB, puertos serie y paralelo (COM1, COM2, LPT1, etc). Si este programa no detecta algún tipo específico de hardware instalado en la computadora, entonces no será posible acceder a este desde ningún lenguaje de programación. MAX permite establecer los parámetros de configuración (direcciones, interrupciones DMA, etc) de los dispositivos DAQ instalados y de los canales de adquisición asociados, por lo cual, después de instalar un dispositivo DAQ en la computadora, es necesario ejecutar MAX para efectuar la configuración del mismo. También permite efectuar pruebas funcionales de

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los recursos de adquisición (entradas analógicas, salidas analógicas, puertos digitales, timers / contadores, etc). La figura 6.19 muestra la ventana principal de MAX.

Fig. 6.19. Ventana principal del software Measurement & Automation Explorer.

Para acceder a la configuración de un dispositivo DAQ seleccione en Devices and Interfaces el controlador adecuado (NI-DAQ tradicional, NI-DAQmx, etc.) y el nombre específico del hardware, tal como se muestra en la figura 6.20 para el caso de una tarjeta DAQCard 6024E denominada Dev1 en bajo el controlador NI-DAQmx.

Fig. 6.20. Acceso a un dispositivo DAQ especifico.

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En la parte central de la ventana con la selección en la pestaña Atributes, aparecen los recursos asignados al dispositivo (rango de direcciones, IRQ, etc). Para probar estos recursos haga un click en el botón Self-Test como se muestra en la figura 6.21.

click

Fig. 6.21. Auto prueba de recursos asignados al dispositivo DAQ.

El botón Test Panels abre los paneles de prueba correspondientes para cada tipo de entrada o salida del dispositivo DAQ. Es en estos paneles donde se configura el tipo de entrada analógica (diferencial, referenciada, etc.), los rangos de voltaje del dispositivo y todas las demás características propias a cada entrada o salida. Además, desde estos mismos paneles se puede efectuar la prueba funcional de todos los recursos de adquisición del dispositivo como se muestra en la figura 6.22.

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a)

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b)

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c)

d)

Fig. 6.22. Panel de prueba para a) entradas analógicas, b) salidas analógicas, c) puertos digitales y d) timers / contadores.

Ejercicio 6.1 Uso Software de configuración Measurement & Automation Explorer 1. Conecte el modulo de adquisición de datos a la computadora. 2. Interconecte el canal de salida analógica 0 (ao0) con el canal entrada analógica 0 (ai0). 3. Ejecute el Measurement & Automation Explorer. 4. Seleccione el dispositivo DAQ apropiado en Devices&Interfaces>NI-DAQmxDevices> 5. Ejecute la auto-prueba para asegurarse que el dispositivo trabaja apropiadamente.

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6. Abra el panel de prueba y programe una salida de 3.5 volts en ao0, no olvide presionar el botón Update.

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7. Cambie a la pestana de entrada analógica y ejecute la adquisición del canal ai0 en demanda, modo diferencial, sin auto-escala. La grafica debe mostrar una línea en 3.5 volts.

8. Repita los pasos 6 y 7 para distintos valores de salida analógica.

6.5.4. DAQ Assistant.

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La forma más sencilla de adquirir datos en LabVIEW es utilizar un SubVI Express llamado DAQ Assistant el cual se encuentra directamente en la paleta de funciones siguiendo la trayectoria Programming/ Measurement I-O/NI-DAQmx, como se muestra en la figura 6.23.

click

Fig. 6.23. Acceso al SubVI Express DAQ Assistant,

Por el hecho de tratarse de un sub-instrumento del tipo express, al colocar este subVI por primera vez en el diagrama de bloque se abre automáticamente una ventana de configuración inicial del DAQ Assistant, tal como se muestra en la figura 6.24, esta ventana nos permite seleccionar entre las opciones generales de adquirir señal o generar señal. Al expandir estas opciones generales nos permite seleccionar el tipo general de recurso que se desea utilizar: entradas analógicas, salidas analógicas, entradas de contadores, salidas de contadores o entradas salidas digitales como se muestra en las figuras 6.25a y 6.25b. Finalmente se selecciona el tipo específico de recurso (voltaje, temperatura, corriente, resistencia, etc.), la figura 6.25c muestra el ejemplo de selección de una entrada analógica de voltaje.

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Fig. 6.24. Ventana inicial del DAQ Assistant

click

a)

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click

b)

click

c) Fig. 6.25. Ventana para selección del a) y b) recurso general y c) recurso específico.

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Luego de una lista de todos los dispositivos presentes en la computadora se asigna el canal físico que se empleará para la adquisición, como se muestra en la figura 6.26

click

Fig. 6.26. Ventana de asignación del canal físico de adquisición.

Finalmente se configuran los parámetros de adquisición del canal tales como rango de voltaje de la señal de entrada (de acuerdo a las capacidades del dispositivo) y modo de las terminales de entrada (diferencial, referenciado o no referenciado), escalamiento aplicable a la señal (si lo hay) y modo de adquisición (una muestra en demanda, una muestra activada por hardware, N muestras o muestras continuas, algunos de estos modos requieren parámetros de adquisición como cantidad de muestras y frecuencia de muestreo. La figura 6.27 presenta un ejemplo de configuración para un canal de entrada de voltaje analógico en modo diferencial para un rango de entradas de ± 5 volts y adquisición de 100 muestras a una frecuencia de muestreo de1000 Hz utilizando la señal de reloj interno de la tarjeta de adquisición.

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Fig. 6.27. Ventana de configuración para los parámetros de adquisición.

Una vez configurado, el subVI express esta listo para ser alambrado en el diagrama a bloques, tal como se muestra en la figura 6.28. En caso de ser necesario es posible cambiar los parámetros de configuración haciendo doble click sobre el subVI.

Fig. 6.28. SubVI Express DAQ Assistant listo para alambrar.

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Ejercicio 6.2 Generador de Rampas de Voltaje.

Este ejercicio tiene como objetivo realizar un generador de rampas de voltaje utilizando una de las salidas analógicas del modulo de adquisición de datos y el subVI DAQ Assistant. 1. Conecte el modulo de adquisición de datos a la computadora. Recuerde que si el dispositivo de adquisición de datos no se encuentra presente, el SubVI DAQ Assistant no podrá ser configurado apropiadamente. 2. Construya el siguiente programa

3. Configure el SubVI Time Delay para retardos programables desde el panel frontal. 4. Para el DAQ Assistant haga las selecciones necesarias para utilizar la salida analógica de voltaje ao0.

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5. Configúrela de 0 a 5 volts, sin escalamiento, una muestra en demanda.

6. Ejecute el programa. 7. Varíe los valores del retardo. 8. Detenga la ejecución del programa 9. Guárdelo como Generador Rampas.vi.

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Ejercicio 3.3 Graficador de Formas de Ondas de Voltaje. Este ejercicio tiene como objetivo realizar un graficador de formas de onda de voltaje utilizando una de las entradas analógicas del modulo de adquisición de datos y el subVI DAQ Assistant. 1. Conecte el modulo de adquisición de datos a la computadora. Recuerde que si el dispositivo de adquisición de datos no se encuentra presente, el SubVI DAQ Assistant no podrá ser configurado apropiadamente. 2. Construya el siguiente programa

4. Para el DAQ Assistant seleccione la entrada analógica de voltaje ai0.

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5. Configúrela de 0 a 5 volts, modo diferencial, sin escala, una sola muestra en demanda.

7. Desactive la auto-escala del indicador Waveform Chart del panel y déjela fija en 0 a 5 8. Guarde el programa como Graficador Formas Onda.vi. 9. Abra el programa Generador Rampas.vi. 10. Ejecute simultáneamente ambos programas.

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11. Detenga la ejecución de ambos programas.

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