Datainsamlingssystem Data acquistion (DAQ) systems

Transkript

1 Datainsamlingssystem Data acquistion (DAQ) systems Mätsystem och Mätmetoder 7.5hp Ville Jalkanen 1

2 DAQ Vad är det? Ville Jalkanen 2

3 Data Acquisition (DAQ) = datainsamling Mätning av elektriska eller fysikaliska storheter (t.ex. spänning, temperatur, tryck mm.) med en dator Huvudkomponenter Givare DAQ-hårdvara, datainsamlingsenhet Dator med DAQ-mjukvara som kan programmeras Processorkraft Display Annan programvara för ökad produktivitet Internet/nätverksuppkoppling Möjligheter till: bearbetning, presentation, kommunikation kraftfullt, flexibelt, kostnadseffektivt Ville Jalkanen 3

4 Mätdatorsystem objekt/ process Givare DAQ-enhet buss Fysikalisk(a) mätstorhet(er) Analog signal (Signalkonditionering) AD-omvandling DAQ-drivrutin DAQ-mjukvara Ville Jalkanen 4

5 Givare i DAQ-systemet Ville Jalkanen 5

6 Givare Mäter en fysikalisk storhet, t.ex.: Temperatur: Resistiva temperaturgivare, termistor, termoelement Tryck och kraft: Töjningsgivare, tryckgivare, lastcell, momentgivare Ljusstyrka: Fotosensorer Ljudstyrka och vibration: mikrofon, accelerometer Omvandlar den fysikaliska storheten till en elektrisk storhet Spänning, ström, resistans eller annan elektrisk enhet Givare kan behöva kompletteras med ytterligare komponenter Ville Jalkanen 6

7 DAQ-enheten i DAQ-systemet Ville Jalkanen 7

8 DAQ-enhet Gränssnitt mellan dator och (analoga) signaler Digitaliserar analoga signaler Huvuddelar som man bör ta hänsyn till vid val av enhet 1. Signalkonditioneringselektronik 2. AD-omvandlare 3. Datorbuss för dataöverföring Fler funktioner DA-omvandlare som ger analoga utsignaler Digitala I/O-linjer för digitala in- och utsignaler) Räknare och timer för att räkna och skapa digitala pulser Ville Jalkanen 8

9 1. Signalkonditionering Problem: Brusiga signaler, Små signalnivåer, Farliga spänningsnivåer Lösning: Anpassa (omvandla) signalen till nästa steg (AD-omvandlaren) Målet: För att erhålla hög noggrannhet i mätningen Förstärka, dämpa, filtrera, isolera Excitation/drivspänning Linjärisera Kan vara inbyggt i DAQ-enheten för vissa givare Ville Jalkanen 9

10 Exempel på signalkonditionering Termoelement Kräver linjärisering, förstärkning, filtrering Töjningsgivare (och andra resistiva givare) Kräver drivspänning, förstärkning Andra signaler kan kräva isolering från höga spänningar Ville Jalkanen 10

11 Signalkonditionering: Förstärkning Låg spänningsnivå förstärks så att man utnyttjar AD-omvandlarens mätområde ökar mätupplösningen/noggrannheten och känsligheten Ville Jalkanen 11

12 Signalkonditionering: Dämpning Hög spänningsnivå (större än AD-omv. mätområde) dämpas. Typiskt då signaler > 10V (vanligt mätområde hos DAQ-enheter) Ville Jalkanen 12

13 Signalkonditionering: Filtrering LP-filter för ta bort 50/60 Hz störningar Anti-vikningsfilter: LP-filter med platt passband, brant lutning Filtrerar bort frekvenser större än f s /2 (Nyquistfrekvensen) = Undvika aliasing (vikning) från högfrekventa signaler. Annars viks dessa ner i samplingsområdet går ej urskilja från lägre frekvenser (vikningsdistortion) Vanligt för ljud och vibrationsmätningar Ville Jalkanen 13

14 Signalkonditionering: Isolation Väldigt höga spänningsnivåer (mycket större än AD-omv. mätområde) kan skada mätutrustningen och användare Används tillsammans med dämpning T.ex. Givaren är på ett annat jordplan Ville Jalkanen 14

15 Signalkonditionering: Drivspänning/excitation Resistiva temperaturgivare (t.ex. Pt100, termistor) kopplas mätbryggor eller med en strömkälla för att sedan mäta spänningen över givaren. Accelerometrar (piezoelek.) har ofta integrerade förstärkare som kräver drivspänning Töjningsgivare kopplas i mätbrygga som kräver drivspänning Ville Jalkanen 15

16 Signalkonditionering: Linjärisering Krävs när givare ger en spänning som inte har ett linjärt samband med den fysikaliska storheten Kan implementeras med elektronik eller i mjukvara Termistorn och termoelement kräver linjärisering Ville Jalkanen 16

17 2. AD-omvandlare Ger ett digitalt värde på en analog signal vid ett visst ögonblick Signalen varierar med tiden Ta periodiska stickprov på signalen med en fördefinierad samplingshastighet/frekvens Stickproven överförs till en dator via en datorbuss Ursprungssignalen rekonstrueras från stickproven Ville Jalkanen 17

18 AD-omvandlarens parametrar Upplösning i antal bitar (n) t.ex. 12 bitar-upplösning 4096 nivåer 16 bitar nivåer Mätområde (range) Typiskt +/-5 V eller +/-10 V Varierbar t.ex. oscilloskop Minsta mätbara spänning U = mätområde 2 n Samplingsfrekvens (Sample rate), övre gräns t.ex. 100 ks/s Välj så att den är 10 ggr högre än högsta signalfrekvensen (rekommenderat) Ville Jalkanen 18

19 3. Datorbuss DAQ-enheterna är anslutna till datorn via kortkontakt eller port Överföring av instruktioner och mätdata DAQ-enheter finns för de flesta vanliga busstyper USB, PCI, PCI Express, Ethernet Ville Jalkanen 19

20 Busstyper PCI PCI Express USB PXI Ethernet Wireless Ville Jalkanen 20

21 Välja busstyp Att tänka på Hur mycket data ska överföras? Krav på tidsegenskaper (latens, determinism)? Behöver flera enheter synkroniseras? Hur bärbart ska systemet vara? Avstånd mellan mätplats och dator? Ville Jalkanen 21

22 Jämförelser Ville Jalkanen 22

23 Datorn i DAQ-systemet Ville Jalkanen 23

24 Dator En programmerbar dator styr DAQ-enheten Används för bearbetning, presentation och lagring av data PXI system Stationär Industridator Laptop Tablet Ville Jalkanen 24

25 Välja datortyp Att tänka på Hur mycket processorkraft behövs? Behövs ett realtids OS? Ska den vara modulär? Hur tålig ska den vara? Vibrationer, stötar, temperatur, fukt, damm Behöver den vara bärbar? Vad får den kosta? PXI system Stationär Industri PC Laptop Tablet Processor OS Modulär Tålighet Portabel pris Ville Jalkanen 25

26 Dator: Mjukvarukomponenter Drivrutiner Ser till att tillämpningsprogram kan kommunicera med DAQ-enheten Enklare kommandon istället för hårdvarukommandon Tillämpningsprogram (applikationsprogram) Tillåter använder att samla in, analysera och presentera mätdata Förprogrammerad applikation med färdiga funktioner (tillverkarspecifikt) Programmeringsmiljö för att bygga applikationer med egna funktioner Ofta vid automatisering av flera funktioner, signalbehandlingsalgoritmer, speciella användargränssnitt (t.ex. LabVIEW, Matlab) Ville Jalkanen 26

27 Exempel: Applikationsmjukvara LabVIEW (National Instruments) Matlab Tillverkarspecifikt Ville Jalkanen 27

28 LabVIEW grafisk programmering Ville Jalkanen 28

29 Matlab för automatisering av test och mätningar Data acquisition toolbox Kommunikation med DAQ: USB, PCI, PCI-express, PXI, PXI-express Stöd för enheter från t.ex. National Instruments, Digilent, Analog devices, ljudkort Funktioner för AI, AO, counter/timer, DI/O Instrument control toolbox Kommunikation med instrument: Oscilloskop, funktionsgen., sp.källor, multimeter, mm. via Instrument drivers IVI; protokoll GPIB, serie, TCP/IP, UDP, VISA Färdiga funktioner för: koppla, konfigurera, skriva/läsa data SCPI Standard commands for programmable instruments Stöd även för I2C, SPI, Bluetooth Ville Jalkanen 29

30 Tillverkarspecifikt Exempel: PicoScope Ville Jalkanen 30

31 Exempel NI USB-6001 NI Scope 5133 Picoscope 2204 USB 8 AI, 14-bitar, 20 ks/s Mätområde ±10 V 2 AO, 14-bitar, 5 ks/s 13 DI/O 1 räknare USB 100 MS/s 50 MHz bandwidth 8 bitar upplösning 2 kanaler Mätområde 40 mvpp till 40 Vpp Minne t.ex. 32 MB/kanal USB 100 MS/s 10 MHz bandwidth 8 bitar upplösning 2 kanaler + funktionsgen 100kHz Mätområde ±50mV till ±20V Minne 8 ks Ville Jalkanen 31

32 Logger Vad är det? Ville Jalkanen 32

33 Datalogger en stand-alone enhet som samlar in data över tid med inbyggd eller extern sensor/instrument Generella egenskaper Små, portabla och batteridrivna Mikroprocessor, minne, sensorer Interface till PC med mjukvara: aktivering, presentation och analys av data Egen interface: keypad, skärm Ville Jalkanen 33

34 Många användningsområden Mätning av stötar, vibrationer, (luft)tryck, fuktighet, temperatur och andra yttre faktorer under lång tid Transport: övervakning och analys t.ex. pga skador på gods som maskiner, livsmedel Lagring av känsligt gods/material t.ex. livsmedel, läkemedel, konst Klimat/miljöövervakning/väder Byggnadsmonitorering Medicinska studier: fysisk aktivitet, falldetektering Lantbruket Industrier (höga krav på certifierade system) Livsmedel-, Läkemedel-, Bil-, Flyg-, Rymdindustrin Trafiken Ville Jalkanen 34

35 Datalogger (vs DAQ-enhet) Lägre samplingsfrekvens 1 S/s kan anses vara högt (för DAQ-enheter är detta långsamt) Självständig (behöver ingen dator för datainsamlingen) (stort) minne för långa mättider (dagar, månader) Tidsstämpel med datum och tid (realtidsklockor) En till multipla kanaler Används i avlägsna platser utan tillsyn (batteri, solkraft). Strömsnåla! Krav på tillförlitlighet långa mättider, utan tillsyn, krävande miljöer. Stabila och immuna mot mjukvarukrascher Ville Jalkanen 35

36 Trender WiFi för att skicka alarm, automatisk rapportering, fjärrstyrning Kopplade mot webbsidor för senaste mätvärden Trend mot open source mjuk- och hårdvara Ville Jalkanen 36