Capítulo 8
Data Acquisition
Componentes de um Sistema de
Aquisição de Dados
O foco deste capítulo é demonstrar como o LabView pode se
relacionar com o meio externo. Essas interações, ou troca de
dados, ocorrem entre o software e os mais diversos
equipamentos, que veremos posteriormente.
Os dados podem ser transmitidos e recebido de duas formas
distintas, através do mundo analógico ou do digital, por sinais
de entrada ou saída ( InPut ou OutPut ).
Para tanto é utilizada uma placa DAQ, que pode ser ligada
diretamente em um slot do PC, ou se comunicar com ele
através da porta paralela e, se necessário um Condicionador
de Sinais, que filtra, amplifica ou padroniza os dados.
Tipos de Sinais
A fim de se monitorar um meio, são necessários sensores.
Sensores são capazes de converter um estado do ambiente
em uma grandeza numérica, que possa ser comparada e
utilizada por uma pessoa ou o computador.
Sistema
Sistema DAQ
Sinal de
Entrada
Condicionador
de Sinais
VI’s
Sinal de
Saída
A fim de se discutir sobre Aquisição de Dados, serão
adotados as seguintes classificações de sinais:
On - Off
Sinais
Digitais
Trem de
Pulsos
DC
Sinais
Analógicos
Domínio
Tempo
Domínio
Frequência
Esses sinais envolvem dois meios de amostragem, a
contínua e a discreta, ambas em relação ao tempo.
• Na amostragem contínua, como o próprio nome insinua, os
valores são medidos sem que haja intervalos, ou seja, em
qualquer dado tempo, sempre haverá um valor no sensor.
• Na amostragem discreta os valores são medidos a uma
certa freqüência, assim o valor somente estará disponível
para processamento a cada um segundo, por exemplo. Isto
é chamado de taxa de amostragem.
Alguns exemplos de amostragem contínua são :
• A temperatura de um Forno
• As rotações por minuto de um Eixo
• A velocidade de um Carro
Alguns exemplos de amostragem discreta são:
• As músicas de um CD
• O valor de um Bit
Os cinco tipos de sinais listados abaixo são classificados
como analógicos ou digitais pela forma como convertem a
informação.
Informação
• Estado
Sistema
Sinal de
Entrada
Sistema DAQ
Condicionador
de Sinais
VI’s
• Nível
Sinal de
Saída
• Taxa
• Forma
• Conteúdo de
Frequência
A seguir um diagrama com os cinco tipos básicos de sinais,
em paralelo com os tipos básicos de informações. Ele ilustra
a particularidade de cada um na demonstração dos dados.
On - Off
Analógico
Linha TTL
estado
Trem de Pulsos
Sinais
DC
Digital
Contador
taxa
ADC/DAC (lento)
nível
Domínio
Tempo ADC/DAC(rápido)
forma
Domínio
Ruído
Freqüência
Conteúdo de freqüência
Sinais Digitais
Os dois tipos de sinais digitais que serão considerados aqui
são o On - Off e o Trem de Pulsos.
• O sinal On - Off da figura abaixo provê a informação a
respeito do estado digital do sinal. Um simples detetor de
sinais digitais é usado para se medir este tipo de sinal. Um
exemplo de sinal On - Off digital é a saída de uma lógica de
chave transistor - transistor (TTL)
Sinal de Entrada
Chave TTL
Sistema
Dispositivo de
Entrada Digital
Sinal de Saída
Estado da Chave
• O segundo tipo é o Trem de Pulsos, ilustrado na figura
abaixo. Este sinal consiste em uma série de transições de
estados, e a informação está contida no número dessas
transições, a taxa na qual elas ocorrem, e o intervalo entre
um ou mais estados de transições.
O sinal provido por um codificador óptico, em um mouse, é
um exemplo deste caso, pois, através de vãos em um disco,
gera pulsos que determinam o quanto e em que direção o
mouse está se movimentando.
Sistema
Sinal de Entrada
Série de Pulsos
Contador, Timer,
Detetor de
Transição
Sinal de Saída
Velocidade e posição
Sinais DC Analógicos
Sinais DC analógicos são sinais estáticos (ou de variação
muito lenta) que carregam informações no nível ( ou
amplitude ) do sinal em um dado instante. Um exemplo deste
sinal é demonstrado a seguir.
Sistema
Sinal de Entrada
Termopar
Placa DAQ de baixa
velocidade
Sinal de Saída
Nível da Temperatura
Já que este tipo de sinal possui uma variação muito lenta, ou
nula, a precisão do nível medido é mais importante que a
taxa em que esta informação é adquirida.
Alguns exemplos deste caso são a tensão de bateria,
pressão, nível de um fluido ,etc.
O sistema DAQ irá retornar um único valor, que representará
a magnitude em um certo tempo. Para que esta informação
esteja precisa, o sistema DAQ deve possuir a precisão e
capacidade de resolução adequadas, além de uma baixa
taxa de amostragem ( padrão ).
Sinais Analógicos no Domínio Tempo
Esses sinais diferem dos outros sinais porque possibilita que
se tenha acesso ao nível do sinal e a forma que este nível
varia com o tempo. A informação associada a um sinal do
Domínio Tempo inclui informações como o tempo do pico,
sua magnitude, tempo de vale, borda de subida, e as formas
que toma.
Sistema
Sinal de Entrada
Monitor Cardíaco
Placa DAQ de alta
velocidade
Sinal de Saída
Intervalos entre picos
Deve-se obter de forma precisa, no tempo, as sequências de
picos individuais, a fim de se compor a forma do sinal como
um todo. As placas DAQ utilizadas nestes casos geralmente
tem um Conversor Analógico para Digital, um relógio, e um
gatilho.
O sinal deve ser amostrado e medido de forma correta, pois
caso contrário, a onda recuperado, na forma digital, pode não
corresponder à original.
Sinais Analógicos no Domínio
Frequência
Sinais Analógicos no Domínio Freqüência são similares aos
do Domínio Tempo na forma que também carregam
informação enquanto há variação no tempo. Porém a
informação extraída deste sinal é baseada com conteúdo de
freqüência do sinal.
Sistema
Sinal de Entrada
Sinal RF
Sinal de Saída
Placa A/D + Placa
DSP ou AD
Portadora & Modulação
Tal como em sistemas DAQ que medem sinais no Domínio
Tempo, um sistema utilizado em um sinal do Domínio
Freqüência deve incluir um ADC, um relógio de amostragem
e um gatilho para capturar adequadamente a forma de onda.
Adicionalmente, o sistema deve ser capaz de separar as
freqüências de um sinal. Esse tipo de processamento é
realizado por hardwares ou softwares especializados em
DSP ( Digital Signal Processing , ou Processamento de
Sinais Digitais ) para analizar o sinal de forma eficiente e
rápida.
Rapidamente, um sistema DAQ utilizado nesse processo
deve possuir um alto Comprimento de Banda na amostragem
ADC para se amostrar os sinais a taxas elevadas, e um
relógio preciso, para se garantir intervalos o mais regulares
possíveis.
Também se é comum o uso de gatilhos para se iniciar o
processo de medição em um tempo preciso.
Finalmente, um sistema DAQ completo deve prover uma
completa biblioteca de funções de análise, incluindo uma
função para converter informações do domínio tempo para o
domínio freqüência.
Um Sinal - Cinco Perspectivas de
Medição
As cinco classificações de um sinal, discutidas anteriormente
não são exclusivas entre sí. Um tipo de sinal pode carregar
mais de um tipo de informação, e pode ser classificado em
mais de um tipo e medi-lo de mais de uma forma. De fato,
pode-se usar medições mais simples com os sinais digitais
On -Off, Trem de Pulsos e DC porque eles são os casos mais
simples dos sinais analógicos do domínio tempo.
A técnica de medição a ser escolhida depende da
informação que se deseja. Em vários casos pode-se medir
um mesmo sinal com diversos sistemas diferentes, desde
uma simples placa de entrada digital até um sofisticado
sistema de análise de freqüência.
A próxima figura demonstra as diversas possíveis medições
de um mesmo sinal.
On - Off Digital
Trem de Pulso Digital Domínio Freqüência
Sinal
DC Analógico
Domínio Tempo Analógico
Transdutores Comuns e
Condicionamento de Sinais
Quando se mede um fenômeno físico, um transdutor deve
converter este fenômeno ( como temperatura ou força ) em
um sinal elétrico capaz de ser medido ( como tensão ou
corrente ).
Todos os transdutores geram um sinal elétrico que muitas
vezes não estão aptos a serem ligados diretamente a um
sistema DAQ. Por exemplo , a tensão de saída da maioria
dos termopares é muito pequena e suscetível a ruídos e, por
isso precisa ser amplificado e filtrado antes de ser medido.
Ou mesmo um sinal pode receber diversas interferências do
meio externo, embaralhando e modificando seu conteúdo;
para corrigir isso utiliza-se os Condicionadores de Sinais
Fenômeno
Temperatura
Luz
Som
Força e Pressão
Posição
Fluxo de Fluido
pH
Transdutor
Termopares
Resistor Detetor de Temperatura
Termistor
Sensor em Circuito Integrado
Fotosensor de tubo à Vácuo
Células Fotocondutivas
Microfone
Transdutores Piezoelétricos
Células de Força
Straim Gauges
Potenciômetros
Codificador Óptico
Medidor de Fluxo Ultrasônico
Medidor de Fluxo Rotacional
Eletrodos pH
Transdutor / Sinal
Condicionamento do Sinal
Termopares
Amplificação, Linearização, e
compensação de Junta Fria
RTD’s
Excitação de Corrente,
linearização e Conf 4 e 3 Fios
Strain Gauges
Configuração Ponte Excitador de
Tensão Linearização
Alta Tensão
Amplificadores de Isolação
( Isolação Óptica )
Alto Fluxo de
Corrente
Relês Eletromecânicos, e de
estado sólido
Sinais com
ruído em HF
Filtros Passa Baixa
Alguns tipos comuns de Condicionamento de Sinais:
Excitação do Transdutor : Certos transdutores requerem
alimentação externa para excitar seus próprios circuitos,
em um processo chamado de excitação do transdutor. O
processo é similar ao de uma televisão, que precisa ser
ligada para decodificar os sinais de áudio e vídeo. A
excitação necessária em um sistema DAQ pode prover
da placa DAQ, dos periféricos condicionadores de sinais
e, às vezes, de instrumentos externos.
• Linearizadores : Transdutores comuns ( como
termopares ou termistores ) geram tensões que não são
lineares, relacionadas com os fenômenos que
representam. O Utilitário DAQ do LabVIEW é capaz de
realizar esta lienarização
• Isolação : Outro uso comum de condicionadores de
sinais é para isolar os transdutores do computador. Se,
por exemplo, o sinal que está sendo modificado lida
com grandes tensões, essa isolação garante uma
proteção ao computador e a pessoa. Não é
aconselhável a ligação direta de sinais diretamente a
uma placa DAQ, sem que haja isolação. Um tipo de
isolação pode ser óptica.
• Filtros : A filtragem de sinais indesejados permite um
melhor aproveitamento da informação. Entre os tipos de
filtros se encontram os Passa Baixa, Passa Alta e Passa
Faixa. Algumas placas DAQ possuem filtros já
implementados.
• Amplificadores : É o tipo mais comum de
condicionamento. Permite maximizar o uso da tensão
disponível, gerando melhor precisão e menores
relações Sinal Ruído (SNR).
É importante que o amplificador seja colocado perto da
fonte do sinal, pois o aparelho não difere entre o sinal e o
ruído, assim, caso esteja muito longe da fonte qualquer
sinal indesejável que entre no sinal também será
amplificado.
Amplificação
Tensão
Ruído da Amplificação Tensão
Perto da
do Sinal
Linhas na Placa DAQ Digitalizada SNR
Placa
Amplificado
Apenas na 0.01V
DAQ
Nada
0.001V
X 100
Amplificado
PP e na
0.01V
DAQ
X 10
0.001V
X 10
1.01V
X 100
0.001V
Nada
1.001V
Amplificado
apenas PP
0.01V
1.1V
10
100
1000
DAQ VI Organization
O LabView possui um menu organizado em paletas. Na
paleta de funções, existe o Data Acquisition. O DAQ VI é
dividido em
• Analog Input
• Analog Output
• Digital I/O
• Counter
• Calibration and Configuration
• Signal Conditioning
Aqui daremos foco apenas a três dessas paletas, Analog
Input, Analog Output e Digital I/O .
Cada paleta contém VI’s ou paletas de VI’s organizadas em
Easy I/O, Intermediate, Utility e Advanced VI’s.
• A VI Easy I/O é constituída de VI’s de alto nível, que
suportam entradas e saídas analógicas básicas, e digital I/O .
São ideais para quem está começando a lidar com DAQ. Ele
também inclui um sistema simplificado de erro, assim,
quando um erro DAQ ocorre na VI, um caixa de informação
aparece, relatando o erro. Há a opção de abortar a VI ou de
ignorar o erro.
• Se comparado com a Easy I/O, a Intermediate VI’s
possuem mais flexibilidade e funcionalidades de hardware.
Ganham em pontos em que Easy I/O é precário, como
gatilho e temporização externa.
Conforme se compreende mais sobre DAQ percebe-se que
o Intermediate VI é a mais interessante para se trabalhar.
Ela, também possui um tratamento de erro melhor do que a
anterior, podendo passar informações de erros para outras
VI’s e lidar com eles através de programação.
• A VI Utility é constituída convenientes grupos da
Intermediate VI. Será mais útil quando se precisa de mais
controle que a Easy I/O pode fornecer
• Advanced VI’s são as VI’s de mais baixo nível, são
requeridas por algumas poucas aplicações. Aqui se tem o
melhor controle e acesso de informações sobre a placa DAQ.
As paletas Analog Output e Digital I/O são semelhantes à
Analog Input.
Analog Input
Há quatro classes de VI’s de Entradas Analógicas achadas
na paleta Analog Input.
• Easy Analog Input VI’s
• Intermediate Analog Input VI’s
• Analog Inpu Utility VI’s
• Advanced Analog Input VI’s