Sinais Analógicos e Digitais

Classificação dos Sinais

No mundo real, os fenómenos físicos, como a temperatura e pressão, por exemplo, variam de acordo com as leis da natureza e possuem propriedades que variam continuamente no tempo; isto é, são sinais de variação analógica no tempo.
Os transdutores convertem esses fenómenos físicos em sinais eléctricos cuja tensão e corrente que depois são acondicionados e medidos por sistemas DAQ. Embora os sinais de tensão e corrente saídos dos transdutores possuam uma relação directa com os fenómenos físicos que são projectados para medir, muitas vezes não é claro o modo como essa informação está contida no sinal de saída. Por exemplo, no caso de um medidor de fluxo, a saída é um trem de impulsos digitais cuja frequência é directamente proporcional à taxa de fluxo. Enquanto a variação na taxa de fluxo de um fluido possa variar lentamente no tempo, o sinal de saída é um trem de impulsos digitais que pode variar rapidamente no tempo, dependendo da taxa de fluxo, e não da velocidade de variação da taxa de fluxo. Isto é mostrado na figura seguinte.

A taxa de fluxo e o sinal na saída de um transdutor medidor de fluxo.

Isto conduz-nos à necessidade de classificação dos sinais nos sistemas DAQ, porque é a informação contida no interior de um sinal que determina a sua classificação e, assim, o método de medição do sinal e/ou o tipo de hardware necessário para produzir esse sinal. A classificação dos sinais que podemos encontrar nos sistemas de controlo e aquisição de dados são definidos a seguir.

Sinais Digitais / Sinais Binários

Um sinal digital, ou binário, pode ter apenas dois níveis ou estados; ‘on’, onde o sinal está no nível mais elevado, e ‘off’, no qual o sinal está no nível mais baixo (ver figura seguinte).

Um sinal digital binário

Por exemplo, a tensão eléctrica do sinal de saída de um interruptor lógico TTL (transístor-to-transístor) pode ter apenas dois estados – o valor do estado ‘on’ é 5V, enquanto o valor do estado ‘off’ é de 0V. Os dispositivos de controlo, tal como os relés e indicadores, como por exemplo os LEDs, requerem, para o seu funcionamento, sinais de saída como esses nas placas digitais de I/O.

Trens de Impulsos Digitais

Um trem de impulsos digitais é um tipo especial de sinal digital, formado por uma sequência de impulsos digitais, como exemplificado na figura seguinte.

Sinal trem de impulsos digitais

Como todos os sinais digitais, um impulso digital pode apenas ter dois níveis ou estados definidos. É definido como um impulso porque permanece apenas por um pequeno período de tempo. Um impulso de transição positiva é aquele que transita do estado baixo para o estado alto, permanece no estado alto durante um curto período de tempo e depois regressa ao nível baixo. Um impulso negativo faz a sua transição do estado alto para o baixo, permanece neste estado durante um pequeno período, e depois regressa ao estado alto. A informação transmitida num trem de impulsos digitais é transmitida no número de impulsos que ocorrem, na taxa a que os impulsos ocorrem e/ou no tempo entre impulsos.
Os sinais de saída de um medidor de fluxo ou de um encoder óptico montado num eixo rotativo são exemplos de trens de impulsos digitais. Também é possível num sistema DAQ ser necessário uma saída na forma de trem de impulsos digitais como parte de um processo de controlo. Um motor passo-a-passo, por exemplo, precisa de uma série de impulsos digitais para controlar a sua posição e velocidade. Embora os trens de impulsos digitais de saída ou entrada possam ser medidos ou produzidos utilizando placas de I/O digitais, as placas I/O contadores/temporizadores são mais eficientes na execução dessa tarefa.

Sinais Analógicos

Os sinais analógicos contêm informação na variação de magnitude do sinal ao longo do tempo. A informação relevante contida no sinal está dependente da magnitude do sinal analógico variar lenta ou rapidamente, ou se o sinal é considerado no domínio do tempo ou da frequência.

Sinais Analógicos DC

Os sinais analógicos DC são sinais DC estáticos ou variam muito lentamente. A informação transmitida neste tipo de sinal está contida no nível ou amplitude do sinal num dado instante, e não como varia o sinal ao longo do tempo. Isso é mostrado na figura seguinte.

Um sinal analógico DC

Como a altura de medição deste tipo de sinais que variam lentamente não é crítico, o hardware DAQ é apenas necessário para converter o nível de sinal para uma forma digital para processamento pelo computador, utilizando-se um conversor analógico-digital (ADC). Placas A/D de baixa velocidade serão capazes de medir esta classe de sinais.
A monitorização de temperatura e pressão são apenas dois exemplos de sinais analógicos que variam lentamente ao longo do tempo, para os quais o sistema DAQ os mede e devolve um valor único indicando a magnitude do sinal num dado instante. Esses sinais podem ser utilizados como entradas de displays digitais e bitolas ou processados para indicar uma acção de controlo (ex: ligar um aquecedor ou abrir uma válvula) necessária num determinado processo.
Por exemplo, hardware de controlo como uma válvula actuadora, precisa apenas de um sinal analógico de variação lenta; a magnitude num determinado instante é suficiente para determinar a acção de controlo. O hardware DAQ que pode executar esta tarefa tem de ser capaz apenas de converter o sinal digital de controlo para uma forma analógica, utilizando um conversor digital-analógico (DAC) num dado instante do tempo. Uma placa D/A de utilização geral, de baixa velocidade, consegue executar essa função.
Os parâmetros mais importantes a considerar para as placas A/D e D/A de baixa velocidade, são a fiabilidade e a resolução na qual a lenta variação do sinal pode ser medido ou enviado para a saída, respectivamente.

Sinais Analógicos AC

A informação contida nos sinais analógicos AC está contida não apenas no nível ou amplitude do sinal num dado instante, mas também na forma como a amplitude varia no tempo. A forma do sinal, o seu declive num dado instante, a frequência, e a localização dos picos, podem fornecer informação acerca do próprio sinal. Um exemplo de um sinal analógico AC é mostrado a seguir

Um sinal analógico AC

Como um sinal analógico AC pode variar muito rapidamente no tempo, o instante da medição, neste tipo de sinal, pode ser crítico. Assim, além de converter a amplitude do sinal para a forma digital para processamento pelo computador, utilizando-se uma placa ADC, o hardware DAQ terá também de efectuar medições suficientemente perto umas das outras no tempo, de forma a poder reproduzir-se depois, de forma adequada, a forma do sinal, e assim a informação, contida nesse sinal. Além disso, a informação extraída do sinal poderá variar dependendo de onde a medição do sinal começou e terminou. O hardware DAQ utilizado para medir estes sinais precisará de um ADC, um relógio de amostragem, para registar o instante de tempo da ocorrência de cada conversão A/D, e um disparo para iniciar e/ou terminar as medições num instante de tempo preciso, de acordo com algum evento ou condição externa, de modo a que a porção relevante do sinal possa ser adquirida. Uma placa de A/D de alta velocidade, será capaz de efectuar estas funções.
Como todos os sinais que variam no tempo podem ser representados pela soma de uma série de ondas sinusoidais de diferentes magnitudes e frequências, uma outra maneira útil de extrair informação é através do espectro de frequência do sinal. Esse espectro indica as magnitudes e as frequências de cada uma das componentes sinusoidais que formam o sinal, em vez das suas características baseadas no tempo, isto é, forma, declive num dado ponto, etc.). Isto é mostrado na figura seguinte.

Um sinal analógico AC no domínio da frequência

A análise no domínio da frequência permite uma mais fácil detecção e extracção do sinal pretendido, através da sua filtragem, em que se deitam fora os componentes indesejados de ruído, que têm frequências muito mais elevadas que o sinal desejado. O processamento digital do sinal (DSP) necessário para converter o sinal medido no domínio do tempo em informação no domínio da frequência e possivelmente executar análise do espectro da frequência, pode ser obtido através de software, ou com hardware DSP especial.

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.

Aquisição e Tratamento de Dados – Teoria (1):

Definição e Fundamentos da Aquisição de Dados

Controlo e Aquisição de Dados

Introdução

Com a tecnologia existente nos nossos dias, a aquisição e tratamento de dados atingiu um grau de sofisticação, precisão, flexibilidade e facilidade de utilização, que praticamente todos os sistemas com essa função são baseados em computadores que conseguem facilmente receber e tratar em tempo real os dados que lhes são passados por sistemas físicos, através de sensores.
Embora anteriormente os autómatos programáveis prevalecessem nesta função, e ainda possuam a sua utilidade em certos casos, o omnipresente computador fez mais uma das suas “vítimas”.

Definição
Aquisição de Dados é o processo através do qual os fenómenos físicos do mundo real são transformados em sinais eléctricos que, por sua vez, são medidos e convertidos no formato digital para processamento, análise e armazenamento por um computador.

Na maioria das aplicações, o sistema de aquisição de dados (DAQ) é projectado não só para receber os dados, mas também para actuar sobre eles. Assim, é útil estender a definição de modo a incluir os aspectos de controlo do sistema total.

Controlo é o processo através do qual os sinais digitais de controlo do hardware do sistema são convertidos para um formato que pode ser utilizado por dispositivos como actuadores e relés. Esses dispositivos controlam depois um sistema ou processo.

Fundamentos da Aquisição de Dados

Um sistema de controlo e aquisição de dados com base num computador, é composto, normalmente, por uma grande quantidade de elementos. A tarefa do sistema é integrar esses elementos de forma a formar um sistema completo e funcional.

Os elementos básicos são:
– Sensores e Transdutores;
– Cabos de Ligação;
– Elementos de Tratamento/Condicionamento de Sinal;
– Hardware de Aquisição de Dados;
– PC (sistema operativo);
– Software de aquisição de dados.

Diagrama Funcional de um sistema de Aquisição de Dados baseado em PC

Transdutores e Sensores

Os transdutores e sensores proporcionam a interface entre o mundo real e o sistema de aquisição de dados, através da conversão de fenómenos físicos em sinais eléctricos que o condicionador de sinal e/ou o hardware de aquisição de dados podem aceitar.

Os transdutores existentes conseguem efectuar quase todo o tipo de medições físicas e disponibilizar a correspondente saída eléctrica.
Por exemplo, termopares, detectores resistivos de temperatura (RTDs), termístores, e sensores IC convertem temperatura num sinal analógico, enquanto os medidores de fluxo produzem trens de impulsos cuja frequência depende da velocidade do fluxo.
Extensómetros e transdutores de pressão medem a força e a pressão respectivamente, enquanto outros tipos de transdutores podem medir deslocamentos lineares e angulares, velocidade e aceleração, iluminação, propriedades químicas (exemplo: concentração de CO, pH), tensões eléctricas, correntes eléctricas, resistências eléctricas, etc. Em cada caso, os sinais eléctricos produzidos são proporcionais à quantidade física a ser medida de acordo com uma determinada relação.

Exemplo de Termopar

Cabos de Ligação e Comunicação

Os cabos de ligação e comunicação representam a ligação física dos transdutores e sensores para o hardware condicionador de sinal e/ou hardware de aquisição de dados.

Quando o condicionador de sinal e/ou o hardware de aquisição de dados está afastado do PC, então os cabos de ligação fazem a ligação física entre estes elementos de hardware e o computador hospedeiro/servidor. Se a ficha de ligação física é uma interface de comunicação RS-232 ou RS-485, então este componente é chamado de cabo de comunicação.

Uma vez que o cabo de ligação e comunicação representa frequentemente a parte maior do sistema, ele é o mais susceptível aos efeitos do ruído externo, especialmente nos ambientes industriais agressivos. A correcta ligação à terra bem como a blindagem dos fios de ligação do cabo é de capital importância na redução dos efeitos do ruído. Esta componente passiva do sistema de aquisição de dados e controlo é frequentemente desprezado o que torna um sistema, que é à partida fiável, um sistema inadequado e não fiável, devido às técnicas incorrectas de ligação.