Adquisició de dades: diferència entre les revisions

* Circuits de condicionament de senyal per a convertir els senyals del sensor en una forma que pugui ser convertida a valors digitals.

* Convertidors Analògic-digitalanalogicodigitals, que converteixen els senyals condicionats dels sensors a valorvalors de senyals dels sensors digitals.

L'adquisició de dades, equival a la primera part d'una [[cadena de mesura]] o, tinguentenint en compte que per abús de llenguatge s'anomena cadena de mesura al conjunt de les dosdues cadenes: (cadena de mesura i cadena d'actuació), equivaldria a la primera cadena.

Aplicacions d'adquisició de dades són controlats per programes de propòsit general desenvolupat utilitzant diferents [[llenguatges de programació]] com [[BASIC]], [[C]], [[Fortran]], [[Java (llenguatge de programació)|Java]], [[Lisp]], [[Pascal (llenguatge de programació) |Pascal]]. '''COMEDI''' és una API de codi obert que utilitzen les aplicacions per accedir i controlar el maquinari d'adquisició de dades. L'ús de COMEDI permet alsque els mateixos programes s'executin en sistemes operatius diferents com [[Linux]] o Windows.

L''''adquisició de dades''' consisteix en adquirir un conjunt de [[Mesura|mesures]] físiques reals, convertir-les en [[tensió elèctrica|tensions elèctriques]] i [[digitalització|digitalitzar]]-les de manera que es puguin processar en un [[ordinador personal]] o [[Controladorcontrolador d'automatització programable]]. Les [[dades]] consistiran en [[senyal analògic|senyals analògics]], que hauran de passar per una etapa de condicionament per a adaptar-les a uns nivells acceptables per a la seva digitalització. L'element que fa la transformació esés un mòdul d'adquisició de dades (DAQ).

Les dades adquirides poden ser mostrades, analitzades i/o emmagatzemades en un computador. La manipulació de les dades hoes podempot dur a terme utilitzant software donat pel fabricant delde l'instrument d'adquisició de dades o utilitzant programes de programació de propòsit general com pot ser JAVA, C, Pascal, etc.

ExisteixenExisteix un conjunt de programes especialitzats en el tractament de dades adquirides, com són per exemple [[LabVIEW]], [[EPICS]] o [[MATLAB]]. Una vegada que els senyals elèctrics es vans'han transformartransformat en digitals, s'envien a través del bus de dades dintre de la memòria del PC, les hi pot processar amb un programa d'aplicació adequat a l'ús que l'usuari desitja, arxivar-les en disc dur, graficarlasgraficar-les en pantalla, enviar-les per mòdem-fax, imprimir-les per impressora, etc.

* '''Dada''': Representació simbòlica (numèrica, alfabètica...), atribut o característica d'un valor. No teté sentit en si mateix, però convenientment tractat (processat) es pot utilitzar en la relació de càlculs o per prendre decisions. En programació una dada és l'expressió general que descriu les característiques de les entitats sobre les quals opera un algorisme.

* '''Adquisició''': EsÉs la recollida d'un conjunt de variables físiques, conversió en voltatge i digitalització de manera que puguin ser processades per un ordinador.

* '''Sistema''': conjuntConjunt organitzat de dispositius que interactuen entre si oferint prestacions més completscompletes i de més alt nivell. Una vegada que els senyals elèctrics es transformen en digitals, s'envien a travestravés del bus de dades a la memòria del PC. Una vegada les dades estan en memòria poden processar-se amb una aplicació adequada, emmagatzemar-les en el disc dur, visualitzar-les en la pantalla, etc...

* '''Bits de resolució''': Nombre de bits que el convertidor analògic a digital (ADC) utilitza per a representar un senyal. Com més bits utilitzi, la resolució serà millor.

* '''Rang''': Valors màxim i mínim entre els que el sensor, instrument o dispositiu funcionenfunciona sota unes especificacions.

* '''Teorema de Nyquist''': AlEn fer el mostreig d'un senyal, la freqüència de mostreig ha de ser major que dues vegades l'ample de banda del senyal d'entrada, per poder reconstruir el senyal original de forma exacta a partir de les seves mostres. En cas contrari, apareixerà el fenomen delde l'[[aliasing]] que es produeix alen infra-mostrejarinframostrejar. Si el senyal pateix aliasing, esés impossible recuperar l'original.

* '''[[Criteri de Nyquist]]''': En mostrejar un senyal, la freqüència de mostreig ha de ser major que dues vegades l'ample de banda del senyal d'entrada, per poder reconstruir el senyal original de manera exacta a partir de les seves mostres. En cas contrari, apareixerà el fenomen delde l'aliasing que es produeix alen infraestructures mostrejarinframostrejar. Si el senyal pateix aliasing, és impossible recuperar l'original. Velocitat de mostreig recomanada:

Els components dels sistemes d´'adquisició de dades, tenen sensors adequats que converteixen qualsevol paràmetre de mesura d´'un senyal elèctric, que foshagi estat adquirit pel hardware d´'adquisició de dades. Les dades adquirides es visualitzen, s'analitzen i es guarden en un ordinador, utilitzant el proveïdor de software subministrat o bebé un altre software. Els controls i visualitzacions es poden dur a terme fent servir varis llenguatges de programació com per exemple: visualBASIC, C++, Fortran, Java, Lisp, Pascal. Els llenguatges especialitzats de programació utilitzats per a l´adquisició de dades inclouen EPICS, utilitzat en la construcció de grans sistemes d´'adquisició de dades, LabVIEW, que ofereix un entorn gràfic de programació optimitzat per a l´adquisició de dades i MATLAB. Aquests entorns d´'adquisició proporcionen un llenguatge de programació a més de biblioteques i eines per a l´adquisició de dades amb la seva posterior anàlisi.

De la mateixa manera que es pren un senyal elèctric i es transforma en un de digital per enviar-lo a l'ordinador, es pot també prendre un senyal digital o binari i convertir-lo en un d'elèctric. En aquest cas, l'element que fa la transformació és una targeta o mòdul d'Adquisicióadquisició de Dadesdades de sortida, o targeta de control. El senyal dins de la memòria del PC la genera un programa adequat a les aplicacions que vol l'usuari i, després de processar-lalo, és rebudarebut per mecanismes que executen moviments mecànics, a través de servomecanismes, que també són del tipus transductors.

Un sistema típic d'adquisició de dades utilitza [[sensors]], [[transductor]]s, [[amplificador operacional|amplificadors]], conversors analògic-digitalodigital ([[DAC]]) i digital-analògic ([[ADC]]), per a processar la informació sobre un sistema físic de forma digitalitzada.

L'adquisició de dades s'inicia amb el fenomen físic o la propietat física d'un objecte (objecte de la investigació) que es desitja mesurar. Aquesta propietat física o fenomen podria ser el canvi de temperatura o la temperatura d'una habitació, la intensitat o intensitat del canvi d'una font de llum, la pressió dins d'una cambra, la força aplicada a un objecte, o moltes altres coses. Un eficaç sistema d'adquisició de dades podenpot mesurar totstotes aquestsaquestes diferents propietats o fenòmens.

Un sensor és un dispositiu que converteix una propietat física o fenomen en un senyal elèctric mesurable, tal com tensió, corrent, el canvi en els valors de resistència o condensador, etc. La capacitat d'un sistema d'adquisició de dades per a mesurar diferents fenòmens depèn dels transductors per a convertir els senyals dels fenòmens físics mesurables en l'adquisició de dades per hardware. '''Transductors''' són sinònim de sensors en sistemes de '''DAQ'''. Hi ha transductors específics per a diferents aplicacions, com la mesura de la temperatura, la presiópressió, o flux de fluitsfluïds. '''DAQ''' també desplega diverses tècniques d'acondicionamentde condicionament de senyals per a modificar adequadament diferents senyals elèctrics en tensió, que després poden ser digitalitzats utilitzant '''CED'''.

Es requereix una etapa d'acondiciamentde condicionament que adequiadeqüi el senyal a nivells compatibles amb l'element que fa la transformació a [[senyal digital]], és a dir, el senyal ha de ser compatible amb el mòdul d'adquisició de dades (''DAQ'') hardware que s'utilitza. Quan els senyals elèctrics es transformen a digital, s'envien a través del ''[[Bus (informàtica)|bus]]'' de dades cap a la [[Memòria d'ordinador|memòria]] del PC, se les pot processar amb un programa d'aplicació adequat a l'ús que l'usuari necessiti, arxivar-les al [[disc dur]], mostrar-les a la pantalla, imprimir-les, etc.

De la mateixa manera que es pren un senyal elèctric i es transforma aen un senyal digital per enviar-lalo a l'[[ordinador]], es pot també adquirir un senyal digital o binari i convertir-lo aen un d'elèctric, en aquest cas l'element que fa la transformació és una targeta o mòdul d'adquisició de dades de sortida o targeta de control. El senyal dins de la memòria del PC el genera un programa adequat a les aplicacions que vol l'usuari i després, una vegada processat, esés rebut per mecanismes que executen moviments mecànics, mitjançant servomecanismes, que també són del tipus transductors.

Les targetes DAQ éssón la iterfícieinterfície de connexió entre el senyal i (generalment) l'ordinador. Les targetes d'adquisició de dades poden ser externes i connectades mitjançant els ports de l'ordinador (Parallel, Serial, USB, etc...) o bé internes connectades als "forats" de la placa mare (PCI, ISA, PCI-E, etc...).

Normalment aquestes targetes solen tenir multiplesmúltiples entrades i sortides amb components com multiplexadors, conversors analògic-digital ([[ADC]]) i digital-analògic ([[DAC]]), temporitzadors d'alta veloctatvelocitat i memòria ([[RAM]]).

Cal dir, també, que no totes les targetes d'adquisició de dades calhan que estiguind'estar permanentment connectades a un ordinador, per exemple les "Stand-alone loggers & controllers".

Aquestes targetes disposen d'una Resolucióresolució, que ve definida pel nombre de bits amb quequè treballa la nostra targeta i el rang de la mostra que es llegeix.

Perquè l'ordinador pugui "entendre" les dades que rep de la targeta, requereix d'uns [[drivers]] concrets, un software que sol proporcionar el fabricant de la targeta. Aquest driver software permet que el sistema operatiu pugui reconèixer el hardware de la targeta i donar accèsaccés als programes als senyals de lectura pel hardware de la targeta. Un bon conductor ofereix un alt i baix nivell d'accesaccés.

De tota manera, hi ha programes més específics per a aquesta finalitat que faciliten la tasca, com ara Epics, per a sistemes a gran escala; Labview, amb un entorn gràfic de programació optimitzat per a l'adquisició de dades, i Matlab, que també té eines gràfiques i llibrariesllibreries per a l'adquisició i l'anàlisi de dades.

Alguns exemples d'adquisició i control: DAQ per recollir dades (datalogger) medioambientals (energies renovables i enginyeria verda). DAQ per a àudio i vibracions (manteniment, test). DAQ més control de moviment (tall amamb làser). DAQ + control de moviment +

És el temps que triga a realitzar una mesura el convertidor en concret, i dependrà de la tecnologia de mesura emprada. Evidentment ens dóna una cota màxima de la freqüència del senyal a amidar. Aquest temps s'amida com el transcorregut des que el convertidor rep un senyal d'inici de "conversió" (normalment cridadaanomenada SOC, Start of ConversióConversion) fins que en la sortida apareix una dada vàlida. PerquèPer tinguemtenir constància d'una dada vàlida tenimhi ha dos camins:

Si no respectem el temps de conversió, en la sortida tindrems'obtindrà un valor, que, depenent de la constitució del convertidor, serà:

És el software necessari, perquè el hardware del DAQ pugui treballar amb l'ordinador. Aquest controlador realitza un registre a baix nivell, escriu i llegeix delel hardware mentresmentre tenimque una API (interfície de programació d'aplicacions.) que s'encarrega del desenvolupamntdesenvolupament d'aplicacions de l'usuari. Aquesta interfície permet que realitzar les aplicacions d'un mateix usuari amb diversos sistemes operatius.

Flexibilitat de processament, possibilitat de realitzar les tasques en temps real o en anàlisis posteriors (a fi d'analitzar els possibles errors), gran capacitat d'emmagatzematge, ràpid accés a la informació i presa de decisió, s'adquireixenadquireix gran quantitat de dades per poder analitzar , possibilitat d'emular una gran quantitat de dispositius de mesura i activar diversos instruments al mateix temps, facilitat d'automatització, etc.

Avui dia es pot detectar també força flexibilitat de cara a la seva connexió als sistemes de mesura/tractament de dades (en aquestsaquest cassoscas, els ordinadors). Amb el pas del temps, s'han anat actualitzant aquests sistemes d'adquisició de dades, dotandotant-los de connexions com USB, PCI, PXI, etc. Així resultaràresulta més fàcil adaptar el dispositiu, a l'ordinador.

== Etapa d'acondicionamentde condicionament del senyal ==

En una etapa d'acondicionamentde condicionament es poden trobar les següents etapes, tot i que no totes estanhi són sempre presents:

* Excitació: AlEn condicionar alguns senyals podenes pot generar excitació en alguns transductors.

* FiltratFiltratge: Elimina els senyals no desitjats del senyal.

'''Amplificació''': És el tipus més comú de condicionament. Per aconseguir la major precisió possible el senyal d'entrada ha de ser amplificadaamplificat de manera que el seu màxim nivell coincideixi amb la màxima tensió que el convertidor pugui llegir.

'''Excitació''': L'etapa de condicionament de senyal a vegades genera excitació per a alguns transductors, com per exemplesexemple les galgues "extesiomètriques", "termistors" o "RTD", que necessiten d'aquesta, bé per la seva constitució interna, (com el termistor, que és una resistència variable amb la temperatura) o bé per la configuració en quequè es connecten (com el cas de les galgues, que se solen muntar en un pont de Wheatstone).

'''FiltratFiltratge''': La fi del filtre és eliminar els senyals no desitjats del senyal que estem observant. Per exemple, en els senyals quasi_continus,quasi continus (com la temperatura) es fa servir un filtre de soroll d'uns 4 Hz, que eliminarà interferències, inclosesinclosos els 50/60 Hz de la xarxa elèctrica.

Els senyals alterns, com ara la vibració, necessiten un tipus diferent de filtre, conegut com a filtre antialiasing, que és un filtre passabaix però amb un tall molt brusc, que elimina totalment els senyals de major freqüència que la màxima a mesurar, ja que es si no s'eliminessin apareixerien superposats al senyal midamesurat, amb el consegüent error.

'''Multiplexat''': El multiplexat és la commutació de les entrades del convertidor, de manera que amb un sol convertidor podem mesurar les dades de diferents canals d'entrada. Com que el mateix convertidor està mesurant diferents canals, la seva freqüència màxima de conversió serà l'original dividida pel nombre de canals mostrejats. S'aconsella que els multiplexors s'utilitzin abans del convertidor i després del condicionament del senyal, ja que d'aquesta manera no molestarà alsels aïllants que puguem tenir. En cas de requerir una obtenció de dades 'rapidaràpida' en un sistema amb diversos sensors (transductors), aquesta etapa pot ser exclosa, utilitzant un sistema de condicionament del senyal per a cadascun del sensors (transductors), d'aquesta manera incrementen els costos del sistema d'adquisició de dades (general), però el resultat esés una obtenció de dades molt mesmés rapidaràpida. hiHi hanha dos tipus de multiplexitat:

'''1) Multiplexió per divisió de temps :''' La multiplexió per divisió de temps esés un medimitjà de mesura de les dades de dos o més canals d' informació en el mateix circuit de comunicació utilizantutilitzant la técnicatècnica de temps compartit. S'adapten bebé elsals senyals binaris que consisteixen en impulsos que representa un dígit binari 1 o 0. Aquests impulsos poden ser de molt curta duració i sonsón capaços de transportar l'informaciónla informació desitjada; per tant, moltmolts d'ells poden comprimirsecomprimir-se i ser capturats en el temps disponible d'un canal digital. El senyal original pot ser una ona analògica que es converteix i es captura en forma binariabinària per a la seva transmissió, com els senyals de veu de d'una xarxa telefònica, o pot estar ja en forma digital, com els d'un equip de dades o d'un ordinador.

'''2) Multiplexió per divisió de frequenciafreqüència :''' La multiplexió per divisió de freqüenciafreqüència s'utilizautilitza per rebre l'informaciola informació de varis canals d'informacióninformació simultáneamentsimultàniament en el mateix canal de comunicació. noNo s'utilizautilitza modulació porper impulsos. el L'espectre de frequenciesfreqüències representa tot el amplal'ample de banda disponible de d'un canal , es divideix en porcions de amplad'ample de banda mesmés petits per facilitar la captura de dades per cada una de lasles diverses fonts de senyals assignades a cada porció.

'''Aïllament''': Una altra aplicació habitual en el condicionament del senyal és l'aïllament elèctric entre el transductor i l'ordinador, per protegir el mateix-lo de transitoris d'alta tensió que puguin danyar-lo. Un motiu addicional per a usar aïllament és el garantir que les lectures del convertidor no sónresultin afectades per diferències en el potencial de massa o per tensions en mode comú.

Quan el sistema d'adquisició i el senyal a mesurar estansón ambdós referits a massa, poden aparèixer problemes si hi ha una diferència de potencial entre les dues masses, apareixent un "bucle de massa", que pot tornar resultats erronis.

'''Linealització''': Molts transductors, com els termoparells, presenten una resposta no lineal davant canvis lineals en els paràmetres que estan sent mesurats. Encara que la linealització es pot realitzar mitjançant mètodes numèrics en el sistema d'adquisició de dades, sol ser una bona idea el fer aquesta correcció mitjançant circuits externs.

El [[transductor]] és un element que converteix la magnitud física que anemes va a mesurar en un senyal de sortida (normalment tensió o corrent) que pot ser processada pel nostre sistema. Llevat que el senyal d'entrada sigui elèctric, podemes pot dir que el transductor és un element que converteix energia d'un tipus en un altre. Per tant, el transductor ha de prendre poca energia del sistema sota observació, per no alterar la mesura.

El condicionament de senyal és l'etapa encarregada de filtrar i adaptar el senyal provinent del transductor a l'entrada del convertidor analògic/-digital. Aquesta adaptació sol ser doble i s'encarrega de:

L'adaptació entre els rangs de sortida del convertidor i el d'entrada del convertidor té com a objectiu el aprofitar el marge dinàmic del convertidor, de manera que el màxim senyal d'entrada ha de coincidir amb la màxima que eldel convertidor (però no amb la màxima tensió admissible, ja que peramb aquesta entrenentra en funcionament lesla xarxesxarxa de protecció que el convertidor porta integrada).

Un sistema típic d'adquisició utilitza sensors, [[transductor]]s, [[Amplificador electrònic|amplificadors]], [[Convertidor analògic-digital |convertidors analògics]], per tal d'obtenir mostres analògiques del monmón real i convertir-les a senyals digitals mitjançant convertidors, [[acceleròmetre]]s a digital (A/D) i de digital a analògic (D/A), per processar informació sobre un sistema físic de forma digitalitzada. L'exemple més clar el tenimés aleñ termòmetre. Es tracta d'un sensor de temperatura a base de mercuri. El mercuri, en detectar la calor, es dil·latadilata i avança en una escala precisament creada per realitzar aquesta "transformació" de dades. Mentre que el mercuri es dilata, l'escala indica quina temperatura detecta. En aquest cas, aquesta escala ens transmet a nosaltres, d'una manera que coneguem, les dades que ha recollit el termòmetre.

El 1963, [[IBM]] produeix ordinadors especialitzats en l'adquisició de dades. Aquests inclouen el Sistema d'Adquisició de Dades IBM 7.700 i el seu successor, el Sistema d'Adquisició de Dades i Control IBM 1.800.

Tenim 300 senyals a monitoritzar. TotesTots són de 4 bytes i volem guardar la informació de tot el procés cada segon. Quina capacitat ha de tenir el disc dur delde l'ordinador servidor per tenir un historial de tot un any?

El '''condicionament del senyal''' és l'etapa encarregada de filtrar i adaptar el [[senyal analògic]] provinent del transductor a l'entrada del [[convertidor analògic-digital]]. El condicionament del senyal s'utilitza principalment per a l'[[adquisició de dades]], en el qual el senyal del [[sensor]] ha d'estar normalitzat i filtrat adequadament perquè es pugui dur a terme la conversió d'analògic a digital i sigui tractat per dispositius informàtics. Un altre ús del condicionament del senyal és el pre-processamentpreprocessament per tal de reduir el temps de càlcul. Aquesta adaptació normalment és doble i s'encarrega de:

* '''Multiplexació''' La multiplexació és la commutació de les entrades del convertidor, de manera que amb un sol convertidor podem mesurar les dades de diferents canals d'entrada. Donat que el mateix convertidor està mesurant diferents canals, la seva freqüència màxima de conversió serà l'original dividiadividida pel nombre de canals mostrejats. És recomanable que els [[multiplexadors]] s'utilitzin abans del convertidor i després del condicionament del senyal, ja que d'aquesta manera no molestarà alsels aïllants que poguéssimhi pogués tenirhaver.

* '''Aïllament''' Una altra aplicació habitual en el condicionament del senyal és l'aïllament elèctric entre el transductor i l'ordinador per a protegir-lo de transistors d'alta tensió que poguessin fer-lo malbé. Un motiu addicional per a usar l'aïllament és el de garantir que les lectures del convertidor no sónes vegin afectades per diferències en el potencial de la massa o per les tensions en mode comú.