Aquisição e Tratamento de Dados – Teoria (3):

Registadores/Controladores Distribuídos Independentes

Além de fornecer os benefícios dos módulos inteligentes de acondicionamento de sinal, e a capacidade de tomar decisões remotamente, a utilização de registadores/controladores independentes aumenta a fiabilidade do sistema. Isto porque uma vez programado, o registador independente pode continuar a operar, mesmo quando o computador hóspede não está funcional ou sequer ligado. De facto, os controladores/registadores independentes são projectados especialmente para operar independentemente do computador servidor. Isto torna-os especialmente úteis para aplicações onde a unidade tem de estar localizada num ambiente remoto particularmente hostil (ex: uma estação meteorológica remota), ou onde a aplicação não permite ligação permanente a um computador (Ex: controle de temperaturas num camião frigorífico).
Os registadores/controladores independentes são dispositivos inteligentes, poderosos e flexíveis, facilmente interfaceáveis com uma vasta gama de transdutores, disponibilizando entradas digitais e saídas de controlo digitais para controlo de processos.
Os registadores/controladores independentes são programáveis quer por uma interface de comunicação série ou usando uma placa de PCMCIA portátil e reutilizável. O tamanho deste tipo de placa é similar ao de um cartão de crédito e isso é especialmente útil quando o registador/controlador independente está localizado remotamente, mas requer uma interface ligada ao computador. É isso que se mostra na figura seguinte.

A interface de comunicação série mais utilizada para a ligação directa entre o computador e o registador/controlador independente é a interface série RS-232. Isso permite a programação e a recolha de dados até distâncias de 50 metros, como mostrado na figura seguinte.

Quando uma aplicação requer mais do que um registador/controlador, cada unidade é ligada dentro de uma rede RS-485 multiqueda. Uma unidade de sinal, escolhida para ser a unidade hóspede, pode ser ligada directamente ao computador host via a interface série RS-232, como mostrado na figura seguinte, evitando assim a necessidade de um cartão interface série RS-232 ou RS-485.
O mesmo método de programação ou de registo de dados de cada registador/controlador está disponível quer via rede de comunicação série ou usando cartões de memória portáteis e reutilizáveis.

Instrumentos Programáveis Remotamente IEEE-488 (GPIB)

O standard de comunicação agora conhecido como GPIB (General Purpose Interface Bus – Bus de Interface de Uso Geral), foi originalmente desenvolvido pela Hewlett-Packard em 1965 como uma interface digital para interligar e controlar os seus instrumentos de teste programáveis. De início referida como HPIB, a sua velocidade, flexibilidade e utilidade na interligação de instrumentos num ambiente laboratorial conduziu à sua grande aceitação, e finalmente à sua adopção como um standard mundial (IEE-488). Desde então, sofreu muitos melhoramentos (IEEE-488.2) e SCPI (Standards Commands for Programmable Instruments), para standardizar o modo como os instrumentos e os seus controladores poderiam comunicar e operar.
Evoluindo a partir da necessidade de recolher dados de um número variado de instrumentos independentes num ambiente laboratorial, o GPIB é uma interface de comunicação paralela de alta velocidade que permite a ligação simultânea de até 15 dispositivos ou instrumentos num pequeno bus paralelo de comunicação de dados. A configuração mais comum requer um controlador GPIB, habitualmente uma placa plug-in para o computador, que endereça cada dispositivo no bus e inicializa os dispositivos que comunicarão uns com os outros. A velocidade máxima de comunicação, o tamanho máximo de cabo, e a distância máxima de cabo entre cada dispositivo depende da velocidade de processamento do controlador GPIB e do tipo de cabo usado. Velocidades de transferência típicas andam à volta de 1 Mbyte/s, enquanto o tamanho máximo de cabo a esta taxa de transferência é de 20 metros. Isto faz com que esta norma seja mais adequada para ambientes de teste industriais ou laboratórios de pesquisa.
Centenas de instrumentos industriais e laboratoriais compatíveis com a norma GPIB, tais como registadores e gravadores de dados, voltímetros e osciloscópios digitais estão disponíveis no mercado para uma vasta gama de aplicações e de um grande número de fabricantes. Uma configuração típica de um sistema é mostrado na figura seguinte.

Aquisição e Tratamento de Dados – Teoria (3):

Aquisição de Dados e Configuração do Sistema de Controlo

Aquisição de Dados e Configuração do Sistema de Controlo

Exemplo de Extensómetro

Em muitas aplicações, e especialmente na aquisição de dados e controlo de processos, o poder e a flexibilidade do PC permite aos sistemas de DAQ serem configurados de várias formas, cada uma com as suas vantagens.
A chave para um uso eficaz do PC é a simbiose dos requisitos específicos de uma dada aplicação de aquisição de dados e o hardware e software disponíveis.
A escolha do hardware, e da configuração do sistema, é largamente ditada pelo ambiente no qual o sistema vai operar (ex: laboratório I&D, fábrica, localização remota ou não, etc.). O número de sensores e actuadores necessários e a sua localização física em relação ao PC, o tipo de tratamento/condicionamento de sinal necessário, e a agressividade do ambiente, são factores chave.

Muitas das configurações de sistema mais comuns são:
– Computador com placa I/o plug-in;
– I/O distribuído;
– Registadores e controladores independentes ou distribuídos;
– Instrumentos IE-488.

Computador com placa I/o plug-in

As placas de plug-in I/O são ligadas directamente no bus de expansão do computador, são geralmente compactas, e representam o método mais rápido de adquirir dados para a memória do computador e/ou alterar saídas. Junto com estas vantagens, as placas de plug-in representam também a opção mais barata para um sistema completo de aquisição de dados e sistemas de controlo e são, por isso, comummente utilizadas como um dos artigos de um hardware de DAQ.
Como é mostrado na figura seguinte, exemplos de placas de plug-in I/O são placas de A/D de múltiplas entradas analógicas, placas D/A de múltiplas saídas analógicas, placas digitais de I/O, placas contador/temporizador, placas de controlo especializadas (tais como controladores de servomecanismos e motores de passo-a-passo) ou placas de instrumentação especializadas (tais como osciloscópios digitais).

Placas de DAQ multifuncionais, contendo conversores A/D (ADCs), conversores D/A (DACs), portas I/O digitais e circuitos de contagem ou temporização, realizam todas as funções equivalentes a placas individuais especializadas. Dependendo do número de entradas/saídas analógicas e entradas/saídas digitais necessárias para uma dada aplicação, as placas multifunções representam a melhor relação custo-benefício e a solução mais flexível para sistemas DAQ.
As placas de expansão plug-in são comummente utilizadas em aplicações onde o computador está perto dos sensores usados para as medições ou dos actuadores a serem controlados. Em alternativa, elas podem ser interfaceadas para transdutores e actuadores remotamente localizados, através de módulos de condicionamento de sinal, conhecidos como transmissores de dois-fios. Esta configuração de sistema é discutida na secção seguinte.

I/O Distribuída

Com frequência, os sensores têm de ficar longe do computador onde os dados são processados e armazenados. Isto é especialmente verdade nos ambientes industriais, onde os sensores e os actuadores podem estar localizados em ambientes hostis, numa grande área, possivelmente a centenas de metros de distância do computador. Em ambientes ruidosos, é muito difícil aos muito pequenos sinais recebidos dos sensores tais como termopares e extensómetros (da ordem dos mV) sobreviver na transmissão a longas distâncias, especialmente na sua forma bruta, sem a qualidade dos dados do sensor ser comprometida.
Uma alternativa de montar longos, e possivelmente caros, fios sensores, é o uso de I/O distribuída, que está disponível na forma de módulos condicionadores de sinal remotos, localizados perto dos sensores aos quais servem de interface. É necessário um módulo para cada sensor utilizado, permitindo elevados níveis de modularidade do sistema (desde um a centenas de pontos por localização). Embora isso possa tornar os sistemas mais caros, os benefícios em termos da qualidade do sinal e fiabilidade podem valer a pena.
Uma das formas de I/O distribuídas mais utilizadas é o transmissor digital. Este dispositivos inteligentes executam todas as funções de tratamento/condicionamento do sinal (amplificação, filtragem, isolamento, etc.), contêm um microcontrolador e um conversor A/D, para executar a conversão digital do sinal dentro do próprio módulo. Os dados convertidos são depois transmitidos para o computador através de uma interface de comunicação RS-232 ou RS-485. A utilização de redes de multiqueda RS-485, como mostrado na figura seguinte reduz a quantidade de cabo necessário, pois cada módulo de condicionamento de sinal partilha o mesmo par de cabos. Ligar até 32 módulos, a distâncias de comunicação até 10km, é possível usando uma rede multiqueda RS-485 standard. Contudo, como poucos computadores têm de raiz o suporte para o standard RS-485, é necessário um conversor RS-485 para RS-232 para permitir a comunicação entre o computador e os módulos remotos.

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.