Tài liệu: TỔNG QUAN VỀ DAQ (DATA ACQUISITION AND CONTROL)

Chia sẻ: Bành Thị Liễu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

834
lượt xem 80
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Dây nối: liên kết ngõ ra của chuyển đổi/cảm biến đến phần cứng khối xử lý tín hiệu hoặc từ khối xử lý tín hiệu đến PC nếu khối xử lý tín hiệu cách xa PC. Trường hợp phần cứng khối xử lý tín hiệu cách xa PC và chuẩn truyền tín hiệu là RS-232 hoặc RS-485 : cáp truyền thông Đây thường là thành phần cồng kềnh nhất của hệ thống và dễ chịu tác động của nhiễu bên ngoài, đặc biệt trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Vì vậy cần quan tâm đặc biệt...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu: TỔNG QUAN VỀ DAQ (DATA ACQUISITION AND CONTROL)

Tài liệu: TỔNG QUAN VỀ DAQ (DATA ACQUISITION AND CONTROL)
Tài liệu DAQ Chương 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ DAQ (DATA ACQUISITION AND CONTROL) 1. Định nghĩa và khái niệm Thu thập dữ liệu (data acquisition) là quá trình chuyển tín hiệu vật lý từ thế giới thực thành tín hiệu điện để đo lường và chuyển sang tín hiệu số cho quá trình xử lý, phân tích và lưu trữ bằng máy tính. Trong hầu hết các ứng dụng, hệ thu thập dữ liệu (Data Acquisition (DAQ) System) được thiết kế không những chỉ để thu thập dữ liệu mà còn cả chức năng điều khiển. Vì vậy khi nói hệ DAQ thường hàm ý cả chức năng điều khiển (Dat a Acquisition and Control) Hình 1.1 – Các thành phần cơ bản của hệ DAQ GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 1
Tài liệu DAQ Chương 1 1.1. Bộ chuyển đổi (transducer) và cảm biến (sensor) Bộ chuyển đổi và cảm biến thực hiện thay đổi các tín hiệu vật lý thành tín hiệu điện để phần cứng có thể xử lý. Bộ chuyển đổi có thể chuyển hầu hết các đại lượng cần đo sang tín hiệu điện như: cặp nhiệt điện, nhiệt kế điện trở (RTD – Resistive Temperature Detector), nhiệt trở, … 1.2. Dây nối và cáp truyền thông Dây nối: liên kết ngõ ra của chuyển đổi/cảm biến đến phần cứng khối xử lý tín hiệu hoặc từ khối xử lý tín hiệu đến PC nếu khối xử lý tín hiệu cách xa PC. Trường hợp phần cứng khối xử lý tín hiệu cách xa PC và chuẩn truyền tín hiệu là RS-232 hoặc RS-485 : cáp truyền thông Đây thường là thành phần cồng kềnh nhất của hệ thống và dễ chịu tác động của nhiễu bên ngoài, đặc biệt trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Vì vậy cần quan tâm đặc biệt đến vấn đề chống nhiễu cho dây nối và cáp truyền thông để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu. 1.3. Xử lý tín hiệu (Data conditioning) Tín hiệu điện đầu ra của cảm biến cần được chuyển sang dạng thích hợp, tương thích với phần cứng khối thu thập dữ liệu, đặc biệt là bộ chuyển đổi A/D. Các nhiệm vụ của thành phần này có thể là: Lọc: thường là bộ lọc thông thấp để loại các thành phần tần số nhiễu. - Khuếch đại: dùng để tăng độ phân giải cho hệ thống. - Tuyến tính hóa: dùng để hiệu chỉnh cho các bộ chuyển đổi phi tuyến như - cặp nhiệt điện. Cách ly: dùng để cách ly với máy tính nhằm bảo vệ máy tính trước các - thành phần điện áp cao. Kích thích: dùng cho các bộ chuyển đổi cần dòng hay áp kích thích ngoài - như cảm biến điện trở, nhiệt trở, … 1.4. Phần cứng thu thập dữ liệu Thực hiện các chức năng sau: Chuyển tín hiệu dạng tương tự sang dạng số để hiển thị, lưu trữ và phân tích - Đọc vào tín hiệu số chứa đựng thông tin về quá trình của một hệ thống. - Chuyển tín hiệu số từ PC sang tín hiệu điều khiển để điều khiển một hệ - thống hay quá trình. Xuất ra tín hiệu điều khiển dạng số. - Phần cứng thu thập dữ liệu tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau từ nhiều nhà sản xuất, có thể là: card giao tiếp mở rộng (plug-in expansion bus boards), intelligent stand-alone loggers and controllers (loại này có thể được định cấu hình, quan sát và điều khiển từ máy tính qua RS-232 hoặc có thể hoạt động độc lập), hoặc GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 2
Tài liệu DAQ Chương 1 các thiết bi độc lập từ xa có thể điều khiển và định cấu hình từ máy tính qua chuẩn giao tiếp IEEE-488. 1.5. Phần mềm thu thập dữ liệu Có 3 lựa chọn: Đọc và xuất dữ liệu trực tiếp dùng tác độ ng lên các thanh ghi của phần cứng - thu thập dữ liệu Dùng driver đi kèm với phần cứng cung cấp bởi nhà sản xuất để phát triển - phần mềm Dùng gói phần mềm ứng dụng cung cấp kèm với phần cứng thu thập dữ liệu - để thực hiện tất cả các nhiệm vụ yêu cầu cho một ứng dụng cụ thể 1.6. Máy chủ Dùng thực thi các chương trình phần mềm và lưu trữ dữ liệu, có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của hệ thống. 2. Cấu hình hệ DAQ Việc lựa chọn cấu hình cho hệ DAQ phụ thuộc vào: Môi trường làm việc (phòng thí nghiệm, thu thập dữ liệu trong cùng khu vực - sản xuất hay từ xa), Số lượng cảm biến và cơ cấu chấp hành yêu cầu, vị trí của chúng với máy - chủ, hình thức xử lý tín hiệu yêu cầu, độ khắc nghiệt của môi trường làm việc là các yếu tố quan trọng. Các cấu hình thông dụng của hệ DAQ: Vào/ra tại chỗ (tập trung) với PC - - Vào/ra phân tán Các bộ thu thập dữ liệu và điều khiển độc lập hoặc phân tán - Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488 - 2.1. Vào / ra tập trung (Plug-in I/O) Các mạch vào/ra tập trung được cắm trực tiếp vào máy tính qua các bus mở - rộng Đặc điểm: nhỏ gọn, tốc độ thu thập dữ liệu và điều khiển nhanh nhất, chi phí - thấp vì vậy thường được dùng. Được sử dụng trong các ứng dụng mà máy chủ ở gần cảm biến và cơ cấu - chấp hành. GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 3
Tài liệu DAQ Chương 1 Hình 1.2 – Một số ví dụ của Plug-in I/O board 2.2. Vào / ra phân tán (Distributed I/O) Trong môi trường sản xuất công nghiệp, cảm biến và cơ cấu chấp hành thường ở xa máy chủ, ở trong môi trường khắc nghiệt và bao phủ trong một diện tích rộng, cách xa máy chủ hàng trăm mét. Do đó, khó có thể nhận được tín hiệu nhỏ từ các cảm biến như cặp nhiệt, cảm biến điện trở (strain gauge) qua đường truyền dài đồng thời dây nối từ cảm biến về máy chủ dài và tốn kém. Giải pháp: Module xử lý tín hiệu được đặt gần mỗi cảm biến tương ứng cũng như mỗi - cảm biến cần có một module xử lý tín hiệu: vào/ra phân tán. Giải pháp này có thể tốn kém nếu có nhiều cảm biến nhưng chất lượng tín - hiệu và độ chính xác cao. Dạng thường gặp của vào/ra phân tán là bộ phát số. Bộ phát số này thực - hiện tất cả các chức năng xử lý tín hiệu cần thiết, có bộ vi điều khiển và chuyển đổi tương tự - số (ADC) để chuyển tín hiệu cần đo sang dạng số. Tín hiệu dạng số này được truyền về máy chủ bằng chuẩn RS-232 hoặc RS-485. RS-232: khoảng cách truyền gần. - RS-485: (multi-drop): giảm số lượng cáp truyền, có thể kết nối đến 32 - modules, khoảng cách truyền có thể lên đến 10km nếu dùng multi -drop network. (RS-232: tối đa 15m). GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 4
Tài liệu DAQ Chương 1 Cần bộ chuyển đổi từ RS-232 sang RS-485 do hầu hết các máy chủ không - hỗ trợ chuẩn RS-485. Hình 1.3 – Vào / ra phân bố - module phát số 2.3. Bộ thu thập dữ liệu độc lập ha y phân tán Ưu điểm: giống ưu điểm của I/O phân tán với các bộ xử lý tín hiệu thông minh, đồng thời khả năng tự quyết định từ xa làm tăng độ tin cậy của hệ thống, có thể điều khiển và định cấu hình từ máy tính dùng giao tiếp nối tiếp hoặc card PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) và có thể hoạt động độc lập mà không cần máy chủ (đây là mục tiêu chính). Vì vậy rất hữu ích khi phải đặt các bộ thu thập dữ liệu ở xa hoặc trong môi trường khắc nghiệt hoặc các ứng dụng không cho phép sự kết nối liên tục tới máy tính ( ví dụ: điều khiển nhiệt độ trong các xe tải đông lạnh). GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 5
Tài liệu DAQ Chương 1 Hình 1.4 - Sử dụng card PCMCIA để nhập dữ liệu từ bộ điều khiển / đăng nhập độc lập Hình 1.5 - Sơ đồ bộ thu thập dữ liệu độc lập qua giao tiếp nối tiếp RS-232 GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 6
Tài liệu DAQ Chương 1 Hình 1.6 - Kết nối bộ thu thập dữ liệu độc lập qua mạng điện thoại hay radio Hình 1.7 - Hệ thu thập dữ liệu phân tán GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 7
Tài liệu DAQ Chương 1 2.4. Các thiết bị lập trình được IEEE-488 Chuẩn truyền thông này còn được gọi là GPIB (General Purpose Interface - Bus), được thành lập năm 1965 bởi Hewlett -Packard để kết nối và điều khiển các thiết bị đo thử lập trình được của hãng. Chuẩn này nhanh chóng được thế giới chấp nhận và trở thành chuẩn IEEE-488 nhờ tốc độ, tính linh hoạt và hữu ích trong việc kết nối các thiết bị trong phòng thí nghiệm. GPIB là chuẩn giao tiếp truyền thông song song tốc độ cao cho phép kết nối - đồng thời 15 thiết bị trên bus truyền dữ liệu song song. Thường yêu cầu có bộ điều khiển GPIB để định địa chỉ cho từng thiết bị và khởi tạo các thiết bị sẽ truyền thông với nhau. Tốc độ truyền thông tối đa, chiều dài cáp truyền tối đa, khoảng cách tối đa - giữa các thiết bị phụ thuộc vào tốc độ và khả năng xử lý của bộ điều khiển GPIB và loại cáp truyền. Phù hợp cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu hoặc đo thử trong công - nghiệp Có hàng ngàn sản phẩm trên thị trường hỗ trợ chuẩn giao tiếp này - Hình 1.8 - Cấu trúc hệ GPIB thông dụng GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 8
Tài liệu DAQ Chương 2 Chương 2 XỬ LÝ TÍN HIỆU NGÕ VÀO CHO HỆ DAQ (SIGNAL CONDITIONING) Giới thiệu 1. Tín hiệu điện ngõ ra của bộ chuyển đổi / cảm biến cần được biến đổi cho phù hợp với ngõ vào của phần cứng DAQ. Ngoài ra, một số bộ chuyển đổi / cảm biến cần nguồn kích thích hoặc cầu Wheaston và tuyến tính hóa để tín hiệu đo được chính xác. Hầu hết các hệ DAQ đều bao gồm khâu xử lý tín hiệu dưới một hình thức nào đó. Các hình thức cơ bản mà khâu xử lý tín hiệu có thể thực hiện là: Khuếch đại - - Cách ly Lọc - - Kích thích Tuyến tính hóa - Khâu xử lý tín hiệu của hệ DAQ phải thực hiện nhiệm vụ nào và cách thức thực hiện là gì phụ thuộc vào số lượng và loại của bộ chuyển đổi / cảm biến, yêu cầu về nguồn kích thích và nối đất cho cảm biến, đồng thời không kém phần quan trọng là khoảng cách từ cảm biến tới máy chủ trung tâm. Các kiểu xử lý tín hiệu 2. 2.1. Khuếch đại Là nhiệm vụ chính yếu của khâu xử lý tín hiệu nhằm: Tăng độ phân giải cho phép đo (nhiệm vụ chính) - Tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR) - Tăng độ phân giải: Ví dụ: Xét tín hiệu ngõ ra cảm biến 0-10mV nếu đưa trực tiếp vào ADC 12bit với full-scale 10V ADC 12 bit  có tất cả 212 = 4096 mức điện áp khác nhau. Điện áp ngõ vào ADC từ 0V – 12V  độ phân giải 10V/4096 = 2,44 mV Ngõ ra cảm biến từ 0 – 10 mV  chỉ phân biệt 5 mức điện áp: 0V; 2,44 mV; 4,88 mV; 7,32 mV và 9,76 mV. Nếu thực hiện khuếch đại tín hiệu tại ngõ ra cảm biến 10 lần: điện áp đưa vào ADC sẽ nằm trong khoảng 0 – 100 mV  phân biệt được 41 mức điện áp khác nhau. Tăng SNR: Tín hiệu nhỏ ở ngõ ra của cảm biến cách xa phần cứng DAQ nếu được truyền trong môi trường nhiễu sẽ bị ảnh hưởng lớn của nhiễu. Nếu tín hiệu nhỏ (bị nhiễu) này được khuếch đại tại phần cứng DAQ sau khi được truyền qua môi trường nhiễu thì GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 9
Tài liệu DAQ Chương 2 nhiễu trong tín hiệu này cũng được khuếch đại như tín hiệu cần đo. Nếu nhiễu so sánh được với tín hiệu cần đo (SNR thấp) sẽ dẫn đến sai số lớn cho phép đo và phép đo là vô nghĩa. Tăng SNR bằng cách khuếch đại tín hiệu nhỏ ở đầu ra cảm biến trước khi truyền. Ví dụ: Cặp nhiệt loại J có độ nhạy 50uV/0C. Nếu tín hiệu đầu ra cặp nhiệt được truyền trong môi trường có nhiễu lớn với khoảng cách 10m, nhiễu đặt lên tín hiệu của cặp nhiệt có thể lên đến 200uV dẫn đến sai số đến 4oC. Nếu khuếch đại tín hiệu tại đầu ra cặp nhiệt lên 500 lần thì độ nhạy lúc này là 25mV/0C, sai số đo nhiễu lúc này (hàng uV) là rất nhỏ. 2.2. Cách ly  Cách ly dùng Opto : thường dùng cho tín hiệu số  Cách ly bằng phương pháp từ trường/điện trường: dùng cho tín hiệu tương tự, thực hiện bằng cách điều chế tín hiệu điện áp thành tần số, sau đó truyền tín hiệu tần số và biến đổi tần số thành điện áp ở đầu ra  Cách ly bằng biến áp: Cách ly giúp bảo vệ thiết bị phần cứng DAQ, PC cũng như người vận hành khỏi điện áp cao trong quá trình quá độ, sét hay tĩnh điện cũng như hỏng hóc của các thiết bị cao áp. Các bộ bảo vệ quá áp được đặt ở đầu vào của khâu xử lý tín hiệu để bảo vệ khâu này. Cách ly còn nhằm đảm bảo vòng nối đất không ảnh hưởng đến tín hiệu đo. GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 10
Tài liệu DAQ Chương 2 2.3. Mạch lọc Mạch lọc thực hiện nhiệm vụ loại bỏ nhiễu ra khỏi tín hiệu cần đo trước khi tín hiệu này được khuếch đại và đưa vào ADC. Quá trình lọc có thể thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềm. Lọc bằng phần mềm: đọc tín hiệu đo nhiều lần hơn cần thiết và lấy trung bình. Phương pháp này loại bỏ được nhiễu tuần hoàn hoàn toàn nếu các mẫu được trung bình hóa trong một chu kỳ của nhiễu. Lọc bằng phần cứng: các mạch lọc tương tự là rẻ nhất, bao gồm các mạch lọc thụ động (dùng các phần tử thụ động như RLC) và tích cực (dùng khuếch đại thuật toán – OpAmp) Các thông số thông dụng của mạch lọc: Tần số cắt - Roll-off: độ dốc của đường cong biên độ theo tần số (biểu đồ Bode) tại tần - số cắt. Hệ số phẩm chất: quyết định độ lợi của mạch lọc tại tần số cộng hưởng và - roll-off 2.4. Tuyến tính hóa Thông thường, quan hệ giữa ngõ ra của cảm biến và tín hiệu đầu vào cần đo là phi tuyến. Phần mềm của hệ DAQ thường thực hiện chức năng tuyến tính hóa . Tuy nhiên, nếu mối quan hệ phi tuyến là dự đoán được và có tính lặp lại thì có thể tuyến tính hóa bằng phần cứng. Phân loại khâu xử lý tín hiệu 3. 3.1. Các mạch xử lý tín hiệu cắm vào PC Mạch xử lý tín hiệu nằm trên phần cứng DAQ cắm vào máy chủ như hình. - Mỗi mạch xử lý tín hiệu cho một loại cảm biến - Sử dụng cho ứng dụng nhỏ với số lượng cảm biến ít và nằm gần máy chủ - 3.2. Các bộ phát 2 dây nối trực tiếp Bộ phát 2 dây là module xử lý tín hiệu 2 cửa: nhận tín hiệu cần xử lý ở đầu vào và xuất tín hiệu đã xử lý ở đầu ra. Mỗi module cần một loại cảm biến. Các bộ phát này không phải là thiết bị thông minh và không có ADC trên mạch. GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 11
Tài liệu DAQ Chương 2 Tín hiệu đã được xử lý được truyền về phần cứng hệ DAQ tại máy chủ bằng 2 dây, tín hiệu truyền có thể là điện áp hoặc mạch vòng dòng điện (4 -20 mA).  Tín hiệu truyền điện áp (± 10V hoặc 0-10V) tương thích với hầu hết với đầu vào các mạch DAQ cho phép giao tiếp dễ dàng với các board DAQ hiện đại. Tuy nhiên hạn chế của tín hiệu này là sụt áp trên dây truyền ở khoảng cách xa nên chỉ dùng phương pháp truyền điện áp khi đường truyền ngắn.  Tín hiệu dòng điện có khả năng miễn nhiễm với nhiễu cao và có thể truyền với khoảng cách hàng trăm m (lên đến 1000m). Bộ thu chuyển dòng sang áp để đưa vào ADC. Bộ thu thường là một điện trở khoảng 500  / 10V (dòng 20 mA).  Mỗi cặp cáp truyền cho một cảm biến riêng lẻ nhiều cáp kết nối đến máy chủ.  Nguồn cung cấp (15-40V) cần đủ công suất cung cấp dòng cho các modules theo yêu cầu.  Sơ đồ khối của một bộ phát 2 dây trực tiếp như hình GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 12
Tài liệu DAQ Chương 2 3.3. Vào/ra phân tán - bộ phát số Mạch xử lý tín hiệu vào/ra phân tán sử dụng bộ phát số Mạch xử lý tín hiệu vào/ra phân tán sử dụng bộ phát số riêng biệt GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 13
Tài liệu DAQ Chương 2 Nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu 4. 4.1. Khái niệm Nhiễu: tín hiệu điện không mong muốn trong mạch. Không thể triệt nhiễu hoàn toàn mà chỉ có thể giảm biên độ nhiễu cho đến khi biên độ của nó không gây ảnh hưởng lên tín hiệu đo 4.2. Nguồn nhiễu và phân loại nhiễu Có 3 thành phần tham gia quá trình sinh nhiễu: GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 14
Tài liệu DAQ Chương 2 Các hình thức gây nhiễu thường gặp trong hệ DAQ Ghép nối hỗ cảm (inductive coupling) - Ghép nối điện dung (capacitive coupling) - Ghép nối điện trở (conductive coupling) - Ghép nối điện trở: Ghép nối điện dung: GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 15
Tài liệu DAQ Chương 2 Ghép nối hỗ cảm: GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 16
Tài liệu DAQ Chương 2 4.3. Chống nhiễu Dùng cáp có vỏ bọc và nối đất vỏ bọc : giảm nhiễu do tương hỗ điện dung gây ra . Vn = jω RS C2S VNS Nối đất vỏ cáp: GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 17
Tài liệu DAQ Chương 2 Dùng cáp có vỏ bọc và xoắn đôi Dùng cáp xoắn đôi Dùng cáp đồng trục GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 18
Tài liệu DAQ Chương 3 Chương 3 GIAO TIẾP GIỮA HỆ DAQ VỚI MÁY TÍNH Chuyển đổi AD (Analog to Digital) 1. 1.1. Nguyên lý Chuyển đổi AD là qua trình chuyển từ tín hiệu tương tự từ các nguồn bên ngoài thành dạng tín hiệu số để máy tính có thể xử lý được. Quá trình chuyển đổi AD bao gồm: Lấy mẫu tín hiệu (Sampling). - Lượng tử hóa (Quantizing). - - Mã hóa (Coding). 1.1.1. Lấy mẫu Là quá trình thay tín hiệu tương tự bằng biên độ của nó ở những thời điểm cách đều nhau, gọi là chu kỳ lấy mẫu. Các giá trị này sẽ được chuyển thành số nhị phân để có thể xử lý được. Vấn đề ở đây là phải lấy mẫu như thế nào để có thể khôi phục lại tín hiệu gốc. Tín hiệu lấy mẫu của tín hiệu gốc s(t) biểu diễn là s(nT) với T là chu kỳ lấy mẫu. s(nT) = s(t)u(t) (3.1) trong đó u(t) là chuỗi xung Dirac   (t  nT) u(t) = (3.2) n   Phổ của tín hiệu lấy mẫu là tích chập của S(f) và U(f), do đó: 1 n  S(f  T ) Ss(f) = S(f)*U(f) = (3.3) T n  s f t 0 f t 0 1/T Hình 3.1 – Tín hiệu lấy mẫu và phổ GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 19