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Aquisição e Tratamento de Dados – Teoria (2): Fundamentos da Aquisição de Dados, pt. 2

Aquisição e Tratamento de Dados – Teoria (2):

Fundamentos da Aquisição de Dados, pt. 2

Tratamento/Condicionamento de Sinal

Os sinais eléctricos gerados pelos transdutores precisam frequentemente de ser convertidos para uma forma que possa ser aceite pelo hardware de aquisição de dados, particularmente pelo conversor A/D que converte o sinal de dados para o formato digital requerido pelo PC. Acresce que muitos transdutores precisam alguma forma de alimentação ou de ponte, para uma operacionalidade adequada.
As principais tarefas executadas pelos variados condicionadores de sinal são:
– Filtragem
– Amplificação
– Linearização
– Isolamento
– Alimentação

Filtragem
Nos ambientes ruidosos, é muito difícil a sinais pequenos, como os recebidos dos sensores (da ordem dos mV), tais como os termopares e extensómetros, por exemplo, sobreviver sem que os dados do sensor sejam comprometidos. Onde o ruído é da mesma ordem de grandeza da magnitude do sinal, o ruído precisa de ser filtrado, de modo a sair. Os condicionadores de sinal contêm frequentemente filtros passa-baixo projectados para eliminar ruído de alta frequência que, sobreposto ao sinal, pode conduzir a dados errados.

Amplificação
Depois de filtrado o sinal de entrada, ele deve ser amplificado de modo a aumentar a resolução. A resolução máxima é obtida amplificando o sinal de entrada de modo a que a variação máxima da tensão eléctrica do sinal de entrada iguale a faixa de valores da entrada do conversor analógico-digital (ADC), contidos no hardware de aquisição de dados.
A colocação do amplificador o mais próximo possível do sensor reduz os efeitos do ruído nas linhas de sinal entre o transdutor e o hardware de aquisição de dados.

Linearização
Muitos transdutores, como termopares, têm uma relação não-linear com a grandeza que estão a medir. O método de linearização destes sinais de entrada, varia consoante os produtos de condicionamento de sinal. Por exemplo, no caso dos termopares, alguns produtos fazem coincidir o hardware de condicionamento de sinal com o tipo do termopar, disponibilizando hardware para amplificar e linearizar o sinal ao mesmo tempo.
Um método mais barato, fácil e flexível é dado por produtos de condicionamento de sinal que realizam a linearização do sinal de entrada através de software.

Isolamento
Equipamento de condicionamento de sinal pode também ser usado para fornecer isolamento dos sinais do transdutor em relação ao computador, útil principalmente onde é possível que picos transitórios elevados de tensão possam ocorrer no sistema a ser monitorizado, quer devido a descargas electrostáticas ou falhas eléctricas. O isolamento protege o dispendioso equipamento do computador de ser danificado e os operadores de computador de serem electrocutados. Acresce que no caso de sinais de tensão de modo comum elevados, há uma necessidade de uma corrente de ligação extremamente pequena no modo comum, como por exemplo nas aplicações médicas, o isolamento permitir que as medidas sejam mais rigorosas e obtidas de forma mais segura.

Alimentação
Os produtos de condicionamento de sinal também fornecem a alimentação para alguns transdutores. Por exemplo: extensómetros, termístores e RTDs, requerem tensão externa ou sinais de alimentação em corrente.

Hardware de Aquisição de Dados

Hardware de Aquisição de Dados e Controlo (DAQ) pode ser definido como aquele componente de um sistema completo de aquisição de dados e sistema de controlo, que realiza qualquer das seguintes funções:
– A entrada, processamento e conversão para o formato digital, utilizando ADCs, de sinais de dados analógicos medidos por um processo ou sistema – os dados são então transferidos para um computador para visualização, armazenamento e análise;
– A entrada de sinais digitais que contêm informação sobre um sistema ou processo;
– O processamento e conversão para formato analógico, utilizando DACs, de sinais digitais do computador – para sinais e controlo analógicos que são usados para controlar um sistema ou processo;
– A saída de sinais digitais de controlo.

Hardware de aquisição de dados está disponível em várias formas e de variados fabricantes. Cartas/Placas de expansão de bus, que são directamente ligadas no bus de expansão do computador, são um artigo muito utilizado de hardware DAQ. Outras formas de hardware DAQ são controladores e registadores inteligentes e independentes, que podem ser monitorizados, controlados e configurados a partir do computador por meio de uma interface RS-232, e podem ainda ser utilizados independentemente do computador.
Outro artigo muito usado, especialmente em I&D e ambientes de teste, é o instrumento independente remoto que pode ser configurado e controlado pelo computador, via a interface de comunicação IEEE-488. Muitos dos sistemas de configuração dos sistemas DAQ mais comuns são discutidos numa secção seguinte.

Software de Aquisição de Dados

O hardware de aquisição de dados não trabalha sem software, porque é o software que corre no computador que transforma o sistema num sistema completo de controlo de aquisição de dados, análise e visualização.
O software de aplicação corre num computador sob um sistema operativo que pode ser monotarefa (como o DOS) ou multitarefa (como o Windows, Unix, OS2), permitindo que mais de uma aplicação corra ao mesmo tempo.
O software de aplicação pode ser um painel interactivo de ecrã completo, um programa de controlo dedicado de entrada/saída, um registador de dados, um gestor de comunicação, ou uma combinação de vários ou todos estes.
Estas são as opções disponíveis, no que toca ao software requerido, para programar qualquer sistema de hardware:
– Programar directamente os registos do hardware de aquisição de dados;
– Utilizar um driver de software de baixo nível, habitualmente fornecido com o hardware, para desenvolver um software de aplicação para as tarefas específicas a realizar;
– Utilizar aplicação de software normal – pode ser uma aplicação de software fornecida com o hardware, que realiza todas as tarefas requeridas para uma aplicação em particular; em alternativa, existem pacotes de software de fabricantes independentes, tais como o LabVIEW e o Labtech Notebook, que disponibilizam uma interface gráfica de programação e em que podemos programar as tarefas requeridas para um artigo de hardware particular, assim como fornecem ferramentas para analisar e visualizar os dados adquiridos.

Computador Hospedeiro/Servidor

O computador que usamos num sistema de aquisição de dados pode afectar grandemente a velocidade a que os dados podem ser contínua e fiavelmente recebidos, processados e armazenados numa aplicação particular. Quando aquisição a alta velocidade é realizada através de uma placa de expansão, a velocidade fornecida pelas arquitecturas de bus, tais como o bus de expansão PCI, é maior do que as proporcionadas pelas expansões de bus standard ISA ou EISA.
A aplicação, da velocidade do microprocessador, do tempo de acesso do disco rígido e do tipo de transferência de dados disponível, todos podem ter um impacto na velocidade a que o computador será capaz de receber os dados. Todos os PCs, por exemplo, são capazes de fazer transferências de dados por programação de I/O e interrupts. A utilização de Acesso Directo à Memória (DMA), no qual hardware dedicado é utilizado para transferir os dados directamente para a memória do computador, aumenta consideravelmente a velocidade do sistema e deixa o microprocessador livre para outras tarefas. Quando são requeridas transferências de dados por DMA ou interrupts, a placa de aquisição tem de ser capaz de executar este tipo de transferências.
Em operação normal, os dados recebidos de por uma placa de aquisição de dados ou outro hardware de DAQ (ex: registador de dados), é directamente armazenado na memória de sistema. Quando esta excede a sua capacidade, os dados podem ser transferidos para armazenamento permanente, como um disco rígido, a qualquer altura. A velocidade a que os dados são transferidos para armazenamento permanente não afecta a velocidade de aquisição de dados do sistema.
Quando grandes quantidades de dados precisam de ser recebidos e armazenados a alta velocidade, o método de disk-streaming pode ser usado para gravar continuamente os dados no disco rígido. Este método utiliza um programa TSR (terminate-and-stay-resident) para continuamente os dados recebidos de uma placa e temporariamente guardados na memória de sistema, para o disco rígido. Os factores limitadores neste método podem ser o tempo de acesso ao disco e a sua capacidade de armazenamento. Quando a capacidade de armazenamento é suficiente, a quantidade de espaço livre contínuo (desfragmentado) no disco disponível para guardar os dados pode afectar a perfomance, pois a taxa máxima a que os dados podem ser enviados para o disco é reduzida pelo nível de fragmentação deste.
No processamento em tempo-real, a perfomance do microprocessador é fundamental. Um requisito mínimo para sinais de alta frequência adquiridos a elevadas taxa de amostragem é um processador de 32 bits mais um co-processador, ou, em alternativa, um processador dedicado plug-in. Sinais de baixa frequência, para os quais apenas algumas poucos amostras são processadas por segundo, não requerem, obviamente, a mesma capacidade de processamento. Um PC de gama baixa será satisfatório. Claramente, os requisitos de perfomance do computador hospedeiro devem bater certos com a aplicação específica. Como todos os aspectos de um sistema de aquisição de dados a escolha do computador é um equilíbrio entre o custo e as necessidades actuais e futuras.
Um aspecto final do computador pessoal que deve ser considerado é o tipo de sistema operativo instalado. Pode ser monotarefa (ex: MS-DOS) ou multitarefa (ex: Windows XP). Enquanto o multitarefa fornece muitas vantagens para um largo espectro de aplicações, a sua utilização para aquisição de dados não é evidente. Por exemplo, os métodos empregados pelo Windows para gerir a memória pode causar dificuldades no uso de DMA. Acresce que as latências dos interrupts introduzidas pelos ambientes multitarefa podem originar problemas aquando de transferências de dados conduzidas por interrupts. Então, conclui-se que deve ser bem ponderada a escolha do sistema operativo e a sua perfomance em relação ao tipo de hardware de aquisição de dados e os métodos de transferência de dados, especialmente nas elevadas taxas de transferência.

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