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Introducción a la

Instrumentación Virtual

Introducción a la Instrumentación Virtual

Arquitectura de un sistema de Instrumentación Virtual


• Adquisición de datos


*¿Qué es la adquisición de Datos?

La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital).


Se toma un conjunto de señales físicas, para convertirlas en señales eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar.

Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital.

El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición

de Datos (DAQ)


La adquisición de datos utiliza una combinación de medición de hardware y software basado en PC para proporcionar un sistema de medición flexible y definido por el usuario.


• Clasificación de señales

• Solo dos nivelesposibles:– Alto/On (2 - 5 Volts)

– Bajo/Off (0 - 0.8 Volts)

• Dos tipos de información:– Estado

– Frecuencia

Señales Digitales

Digital


Información de la

Señal Digital

Digital

Estado

Frecuencia


Señales Analógicas

Analog

Señales contínuas• Pueden variar sus valores en

forma contínua con el tiempo

Tiene tres tipos de información:• Amplitud• Forma• Frecuencia

Información de la Señal Analógica

Analog

AnalysisRequired

NivelNivel

Forma

Frecuencia

¿Porque Acondicionamos la señal?

– El acondicionamiento de señales permite al

DAQ realizar mas fácilmente las mediciones

– No siempre se requiere acondicionamiento de

las señales, depende de la señal que se quiera

medir

Señal de bajo nivel con ruido Señal Filtrada y amplificada


• Analógicas• • Adaptación:

• – Amplificación.

• – Escalado.

• – Filtrado.

• • Aislamiento eléctrico.

• • Operaciones:

• – Linealización.

• – Comparación con límites o umbrales.

• – Detección de fallos.

• – Integración.

• – Diferenciación.

• Digitales• • Amplitud:

• – Conversión de niveles.

• – Eliminación de rebotes.

• – Escuadrado. (hacer la señal

• más cuadrada)

• • Tiempo:

• – Adición de retardos.

• – Ampliación de pulsos.

• – Detectores de flancos.

• • Frecuencia:

• – Multiplicadores y

• divisores.

• – Osciladores.

• • Comparación de fase.

Acondicionamiento de señales


Amplificación - Es el tipo más común de acondicionamiento. Para conseguir la mayor precisión posible la señal de entrada deber ser amplificada de modo que su máximo nivel coincida con la máxima tensión que el convertidor pueda leer

Escalado - es un tipo de proceso de amplificación que consiste en llevar a la señal a un rango determinado de valores, generalmente normalizados

Filtrado - El fin del filtro es eliminar las señales no deseadas de la señal que estamos observando. Por ejemplo, en las señales cuasi-continuas, (como la temperatura) se usa un filtro de ruido de unos 4 Hz, que eliminará interferencias, incluidos los 50/60 Hz de la red eléctrica.Las señales alternas, tales como la vibración, necesitan un tipo distinto de filtro, conocido como filtro antialiasing, que es un filtro pasabajo pero con un corte muy brusco, que elimina totalmente las señales de mayor frecuencia que la máxima a medir, ya que se si no se eliminasen aparecerían superpuestas a la señal medida, con el consiguiente error.


Aislamiento eléctrico - Otra aplicación habitual en el acondicionamiento de la señal es el aislamiento eléctrico entre el transductor y el ordenador, para proteger al mismo de transitorios de alta tensión que puedan dañarlo. Un motivo adicional para usar aislamiento es el garantizar que las lecturas del convertidor no son afectadas por diferencias en el potencial de masa o por tensiones en modo común.

Linealización - Muchos transductores, como los termopares, presentan una respuesta no lineal ante cambios lineales en los parámetros que están siendo medidos. Aunque la linealización puede realizarse mediante métodos numéricos en el sistema de adquisición de datos, suele ser una buena idea el hacer esta corrección mediante circuitería externa.

Excitación - La etapa de acondicionamiento de señal a veces genera excitación para algunos transductores, como por ejemplos para las galgas "extesométricas“ o para los "termistores“, que necesitan de la misma, bien por su constitución interna, (como el termistor, que es una resistencia variable con la temperatura) o bien por la configuración en que se conectan (como el caso de las galgas, que se suelen montar en un puente de Wheatstone).


Compensación de juntura fría – pasa muchas veces que las termocuplas tienen la juntura fría a temperatura ambiente, o sea que como la termocupla está calibrada para 0º, hay que dar un voltaje de compensación por la diferencia con la temperatura ambiente


Formas de Transmisión de la Señal

ParaleloTiene la ventaja de ser mas rápido, pues todas las señales se transmiten simultáneamente.Su desventaja es el costo de cableado y la complejidad de la instalación, pues lleva un cable por sensor

MultiplexadoTiene la ventaja de ser muy simple en su cableado, pues utiliza un solo cable.Su desventaja es la poca velocidad que tiene, siendo mas lento cuanto mayor es el número de canales


Sensor1

DAC

PR

OC

ES

AD

OR

Canal 1

Salida

Acondicinador1

Sensor2Canal 1

Acondicinador2

Sensorn

Canal n Acondicinadorn

ADC1

ADC2

ADCn

Canales en Paralelo


Multiplexado se señales:

Multiplexor Demultiplexor


Canales multiplexados

Sensor1

ADCProce-sador

DAC

MU

LT

IPL

EX

OR

AN

AL

ÓG

ICO

Canal 1

Salida

Acondicinador1

Sensor2Canal 1

Acondicinador2

Sensorn

Canal n Acondicinadorn

Señales en modo común:


Señales en modo diferencial:



Canales simples o diferenciales

Multip

lexor

Canales de entrada

analógicos

Multip

lexor


Armado Modular (según nuestras necesidades)


Rack o Gabinete con Bahías


Rack armado con placas de distinta procedencia


Medios de intercomunicación:

Los buses


Buses de comunicaciónUn bus es un camino de comunicación entre dos o más dispositivos. Se caracteriza esencialmente por ser un medio de comunicación compartido.

Controlador

E/S

BUSD1

D2

D3

E/S


Elementos básicos de un bus• Líneas de datos• Líneas de dirección• Líneas de control

D1 D2

DATA

DIR

CON


Características de los buses• Tipo de líneas

• Dedicadas Ejemplo: CLK, RST#• Multiplexadas (con diversos usos)

Ejemplo: AD[31:0]• Método de arbitraje (maestro-esclavo)

• Centralizado Ejemplo: ISA • Distribuido Ejemplo: PCI

Nota. Bus Master: dispositivos capaces de tomar el control del bus


Clasificación de busesSegún el tipo de sincronismo:•Buses síncronos

• Cuando la temporización de transferencia de datos es fija.• La temporización de la transferencia está fijada por el reloj del

maestro.• Si existe la posibilidad de que el dispositivo esclavo introduzca

ciclos de espera → Buses semisíncronos.

•Buses asíncronos• Cuando la temporización de transferencia se ajusta al dispositivo a

controlar → Handshake.


Clasificación de busesSegún el modo de acceso•Buses paralelo: acceso a datos simultáneo

Ejemplo: PCI

•Buses serie: acceso a datos secuencial

Ejemplo: RS-232

Según el tipo de aplicación:•Buses de sistema o internos•Buses de entrada/salida•Buses de instrumentación


Clasificación de busesBuses de sistema• Diseñados inicialmente para transferencias de

datos ente la CPU y la memoria.• Los buses internos de los microprocesadores

se pueden incluir en esta categoría.• Ejemplo de evolución:

Bus ISA →→→→ PCI de Intel

ISA 8 BITS

ISA 16 BITS

PCI 32 BITS

PCI 64 BITS

…


Clasificación de busesBuses de entrada/salida• Permiten que varios dispositivos de I/O esténconectados a un mismo bus paralelo o serie con señales de control.

• Se utilizan cables en lugar de back-plane slots.• Ejemplo de evolución:

Bus SCSI (Small Computer System Interface)

SCSI-1SCSI-1 SCSI-2widewide & fast

SCSI-2widewide & fast

SCSI-3UltraSCSI-3Ultra

40 MBps 80 MBps 160 MBps


Clasificación de busesBuses de instrumentación• Son buses específicamente diseñados para integrar instrumentos

• Ejemplos:• GPIB/HPIB/IEEE-488 Bus paralelo• IEEE-1174 (RS232) Bus serie------------------------------------------------------• VME bus Racks• VXI bus• CompactPCI• PXI, PXIe

Cables

Racks

• GPIB/HPIB/IEEE-488 Bus paralelo• IEEE-1174 (RS232) Bus serie

•VME bus Racks• VXI bus• CompactPCI• PXI, PXIe

Racks


Buses de instrumentación

• RS-232C RS-485

• USB

• Firewire / IEEE 1394

• Ethernet

• GPIB / IEEE 488

� PCI , Compact PCI, PXI

� PCI express, PXIexpress

� PCMCIA

� VME, VXI

Cables Racks


Interfaces

Interfaz RS-232 RS-422 RS-485RS:

Recommended Standard

RS-232 Instrument

RS-232 Cable

PC SerialPort


Bus RS-232Interfaz serie inicialmente especificado para conectar computadores (DTE) a modems (DCE)

• Cable formado por 2 líneas de datos +6 de control + 1 de masa

• Señales de ±±±±5 V a ±±±±15 V. Lógica neg.• Transmisión Full Duplex (TXD y RXD

simultáneas) • 20 Kbit/s sobre distancias de 17 m • 200 Kbit/s sobre cortas distancias


Interfaz RS-232Características del conector DB-9

Pin DTE DCE

1 DCD Input Output2 RxD I O3 TxD O I4 DTR O I5 Com - -6 DSR I O7 RTS O I8 CTS I O9 RI I O

1 5

6 9

DCD: Data Carrier DetectRxD: Received DataTxD: Transmited DataComm: Commun (Masa)

DSR: Data set ReadyRTS: Request to SendCLS: Clear to SendRI: Ring Indicator


Interfaz RS-232

Comunicación entre DTE y DCEDTE: Data Terminal EquipmentDCE: Data Communication Equipment

43

Interfaz RS-232Señales básicas de datos Full DuplexCon control Sw


44

Interfaz RS-232

Control mediante Sw


45

Interfaz RS-232

Señales básicas Full DuplexCon control Hw


46

Interfaz RS-232Control mediante Hw

RTS RTS

Datos

Control


47

Interfaz RS-232Ejemplo deconfiguraciónen MicrosoftWindows


48

Interfaz IEEE-1174Nuevo estándar de interfaz serie para instrumentación programable basado en RS-232 (1174.0) + 1174.1 + 1174.2para emulación del interfaz IEEE-488


49

Bus RS-422. DiferencialRS-422 interfaz serie con señales eléctricas diferenciales ⇒⇒⇒⇒ mayor inmunidad al ruido y distancias más largas que RS-232

• Utilizado por los computadores Apple Macintosh hasta 1999

• Conductor con cuatro cables• Permite hasta 10 receptores• 100 Kbit/s sobre distancias de 1200 m • 1 Mbit/s sobre cortas distancias

Señales min. de ±±±±2 V


50

Señales complementarias

Bus RS-422. Diferencial

VENTAJAS1. El ruido suele afectar a ambas señales por igual ⇒⇒⇒⇒

el valor diferencia es bastante inmune a las perturbaciones2. Al tener un carácter complementario las transiciones ⇒⇒⇒⇒

produce una perturbación menor a los cables externos

Ruido


51

Bus RS-485. Red multipunto

RS-485 interfaz serie con señales eléctricas diferenciales permitiendoreceptores y emisores múltiples

• Adecuado para redes de dispositivos• Permite hasta 32 unidades.• 10 Mbit/s hasta distancias de 100 m• 2 o 4 líneas

Señales min. de ±±±±1.5 V

www.rs485.com/rs485spec.html


52

Bus RS-485

Señales Half Duplex y Full Duplex

Nota: El bus RS-485 está inicialmente pensado para transmisión Half Duplex a 2 hilos.También permite la transmisión Full Duplex utilizando 4 hilos


53

Revisión general de otros buses serie utilizados en instrumentación


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Bus SPI

SPI (Serial Peripheral Interface)• Bus serie con cuatro hilos, síncrono y bidireccional:• Señales: clock, data in, data out y chip select para cada circuito integrado

que tiene que ser controlado.• comunicación full-duplex• Se utiliza especialmente para la interconexión de un microcontrolador con sus

periféricos.• Implementación en Hw o Sw extremadamente simple• Los dispositivos Slave usan el reloj que envía el master• No permite fácilmente tener varios Masters conectados al bus

CLKDinDoutCS


55

Bus I2C

I2C (Inter Integrated Circuit Bus)• Bus serie con dos hilos, síncrono y bidireccional.• Fue desarrollado por Philips en 1980.• Se utiliza especialmente para la interconexión de un microcontrolador con sus

periféricos (Convertidor A/D, EEPROM, driver LCD, RTC,.. ) u otros microcontroladores.

• Señales: SDA (Serial DAta) y SCL (Serial CLock)El dispositivo puede trabajar como receptor o como transmisor, dependiendo de sus funciones.

• Cada dispositivo tiene su propia dirección de 7 bits que consta de una parte

fija (4 bits internos del chip ) y de una parte variable (3 bits del dispositivo).

SDASCL


56

Bus USB

USB (Universal Serial Bus)• Bus serie para conectar dispositivos periféricos• USB 1.1 define dos velocidades: 1.5 y 12 Mbps• USB 2.0 velocidades hasta 480 Mbps• USB 3.0 velocidades hasta 4,8 Gbps

• [USB 2.0] Compuesto de 4 hilos:[(Vcc, GND), (D-, D+ (par trenzado)) ]

www.usb.org

Nota. USB 2.0 es 40x

más rápido que USB 1.1


57

Bus USB

USB (Universal Serial Bus)• Puede suministrar un máximo de 500mA para

alimentación de los dispositivos• Tres tipos de componentes: Host, Hub y peripheral• Soporta hasta 127 dispositivos. Host to peripheral• Plug&Play and Hot Pluggable

USB

HUBConector


58

Bus USBUtilización de bloques IP (VHDL) para USB

ASICASIC

Serial Interface EngineSerial Interface EngineSerial Interface EngineSerial Interface Engine

DeviceDeviceSpecificSpecificLogicLogic

DeviceDeviceSpecificSpecificLogicLogic

Endpoint Logic

Endpoint Logic

…

SIE

Control

Logic

USB 2.0USB 2.0Endpoint Logic

Device Device HardwareHardware

USB 2.0 USB 2.0 TransceiverTransceiverUSB 2.0 USB 2.0 TransceiverTransceiver

TranTran--sceiversceiver

ProductProductFunctionFunction

USB 2.0USB 2.0

3rd Party VHDL3rd Party VHDL


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Bus FireWire / IEEE 1394a/b/c

Estándar IEEE-1394 a partir de 1955 [Apple]

• Bus serie para conectar dispositivos periféricos de gran ancho de banda (Inic. para multimedia)

• Velocidad hasta 400 Mbps, 800 Mbps y 6,4Gbps en el futuro

• Compuesto de 6 hilos:[Vcc,Gnd,(Data±),(Strobe±)]• Puede suministrar alimentación a los dispositivos• Soporta hasta 63 dispositivos. Peer to peer• Multimaestro; permite DMA (≠ USB) & memory-

mapped devices• Plug&Play and Hot Pluggable Originalmente

desarrollado por Apple


60


Estándar IEE-1394.Aplicaciones multimedia


61

Estándar IEEE-1394. Conexiones multimedia



62

Estándar IEEE-1394. Conexiones para instrumentación GPIB y VXI

VXI-1394



63

Tabla comparativa de busesBUS Velocidad

Serial RS-232 common 9.6 kbit/s

Serial RS-232 max 230.4 kbit/s

Serial RS-422 max 10 Mbit/s

USB Full Speed (USB 1.1) 12 Mbit/s

USB Hi-Speed (USB 2.0) 480 Mbit/s

FireWire (IEEE 1394) 400 393.216 Mbit/s

FireWire (IEEE 1394b) 800 786.432 Mbit/s

FireWire (IEEE 1394b) 1600 1.572864 Gbit/s

FireWire (IEEE 1394b) 3200 3.145728 Gbit/s

External SATA 2.4 Gbit/s


64

Ethernet

LAN (Local Area Network) Revisión básica

• Cableado más usual UTP (par trenzado no apantallado)

• Velocidades: 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gb/s, 10Gb/s,

→ 40Gb/s, 100Gb/s (IEEE P802.3ba)• Protocolo CSMA CD

Carrier Sense Multiple Access Collision DetectComprobación de existencia de transmisión por parte de otra estación antes de enviar.Pueden existir colisiones. En este caso se para la transmisión y se intenta después de un intervalo de tiempo aleatorio

www.lxistandard.org

IEEE 802.3 xx


65


• Empleado ampliamente en sistemas para adquisición de datos.

• Mediante TCPIP → Conexión a Internet

www.lxistandard.org

IEEE 802.3 xxEthernet


66

Ethernet


• Cableado más usual UTP (par trenzado no apantallado)

• Velocidades: 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gb/s, 10Gb/s

• Protocolo CSMA CDCarrier Sense Multiple Access Collision Detect

Comprobación de existencia de transmisión por parte de otra estación antes de enviar.Pueden existir colisiones. En este caso se para la transmisión y se intenta después de un intervalo de tiempo aleatorio

www.lxistandard.org

IEEE 802.3 xx


67

Bluetooth

Tecnología de comunicación sin hilos• Para conexión entre dispositivos próximos vía

radio en la banda científica y médica de 2,4 a 2,8 GHz mediante un pequeño microchip (→ bajo coste)

• Dos tipos de alcance: hasta 10 m y hasta 100 m• Garantiza que sólo las unidades autorizadas

puedan comunicarse• La señal está continuamente saltando entre 79

frecuencias en el rango de 1 MHz (1600 veces en un segundo) → Alta inmunidad

• Conexiones punto-a-punto y punto-a-multipunto


68

Bus de instrumentación

GPIB


69

Bus HP-IB / GPIB / IEEE-488

GPIB Instrument

GPIB Cable

GPIB Interface

En 1965 HP diseña el bus paralelo HP-IB (Hewlett Packard Interface Bus)para sistemas de instrumentación


70

Standards Introduction1965

1987

1990

1992

1993

1975

• HP designs HP-IB (Hewlett Packard Interface Bus)

• HP-IB becomes IEEE 488 (250KB/s)

• IEEE 488.2 adopted (1MB/s) IEEE 488 becomes IEEE 488.1

• SCPI (Standard Commands for ProgrammableInstruments) added to IEEE 488.2

• IEEE 488.2 revised

• HS488 (High speed extension ) proposed (8MB/s)

1999 • HS488 approved


71

Bus GPIB / IEEE-488

General Purpose Interface Bus• Introducido por Hewlett-Packard en 1965

(HPIB)• Velocidad 250KB/s → 1MBps• Protocolo de transferencia de mensajes

asíncrono byte serie• 3 Tipos de dispositivos:

• Controllers• Talkers• Listener

T L

C

L

...


72

Bus GPIB / IEEE-488Descripción del cable y conectores


73

Bus GPIB / IEEE-488

Características físicas generales• Cable coaxial paralelo de 24 conductores• Conector y base en cada terminal

• Máxima longitud de separación 20 metros• Máxima separación entre dispositivos 4 metros• Separación media entre dispositivos 2 metros• Conexión en estrella o lineal


74

Bus GPIB / IEEE-488

DireccionesSe permiten hasta 15 dispositivos• Direcciones primarias 0..30Cada dispositivo puede contener un conjunto de subdirecciones • Direcciones secundarias 0..30

Niveles lógicos• Niveles TTL• Lógica negativa


75

Bus GPIB / IEEE-488

Conectoramericano24 Pins.

Nota: El conector europeo (IEC 625-1) tiene 25 Pins

1

12

13

24

DIO5DIO6DIO7DIO8RENGND (TW PAIR W/DAV)GND (TW PAIR W/NRFD)GND (TW PAIR W/NDAC)GND (TW PAIR W/IFC)GND (TW PAIR W/SRQ)GND (TW PAIR W/ATN)SIGNAL GROUND

DIO1DIO2DIO3DIO4EOIDAV

NRFDNDAC

IFCSRQATN

SHIELD

Nota: TW=Twisted


76

Bus GPIB / IEEE-488

Estructurade lasseñalesdelConector

16 señales


77

Bus GPIB / IEEE-48816 Líneas de señal:

• 8 líneas de datos• DIO[1:8]

• 3 líneas de handshake• NRFD (Not Ready for Data) [Disponible]

• NDAC (Not Data Accepted) [Aceptado]

• DAV (Data Valid) [Válido]• 5 líneas de interface management

• ATN, EOI, IFC, REN, SQR (→ ...)• 8 Líneas de tierra


78

Bus GPIB / IEEE-488

EOIREM

SRQ

ATN

IFC

NDAC

NRFD

DAV

DIO 1 - 8

Device AAble to TalkListen and Control

Device BAble to Talkand Listen

Device CAble to Listen Only

Device DAble toTalk Only

General BusManagement

HandshakeLines

Data Bus


79

IEEE-488.1 IEEE-488.2 SCPIDivisión multinivel de un interfaz

IEEE-488.2Estructura de datos y sintaxis. Ordenes y consultas comunesProtocolo de mensajes. Secuencias de control

SCPIFormato de intercambio de datos. Ordenes jerárquicas normalizadas

IEEE-488.1Especificaciones mecánicas, eléctricas.Funciones básicas de control y handshaking


80

IEEE-488.1 y IEEE-488.2

• Estándar IEEE-488 →→→→ IEEE-488.1Ejemplos: DCL (Device Clear Command)

REN (Remote Enable Command)

• Estándar IEEE-488.2Definición más precisa de la comunicación:• Protocolos de intercambios de mensajes• Sintaxis y formatos de datos• Ordenes generales y peticiones de estado

Ejemplos: *TRG (Trigger Command)*CAL (Calibration Query)*RST (Reset Commahd)


81

SCPI

Standard Commands Programmable Instruments: 1990

Definición de un jerárquico lenguaje comúnpara instrumentos programables basado en una estructura común

Standard Commands for Programmable Instrumentation (SCPI) is a consistent set of commands and responses regardless of supplier or instrument type.

Ejemplo de comando de configuración: MEAS:VOLT:AC


82

Bus VMEEstándar inicialmente definido por Motorola para el MC68000 en 1979

• Especificación de dimensiones físicas de las placas, Back-plane, chasis y eléctricas. IEEE-1014

• Cuatro sub-buses: transferencia de datos, arbitraje, prioridad de

interrupciones y utilidades (power, clocks, ...)• Varios protocolos de comunicación. Permite DMA• Bus de datos y direcciones de 32 bits• Transferencias asíncronas de datos: 8,16 y 32 bits• Modo de transferencia de bloques (256 bytes)• VME64 permite la trasferencia en modo 64 bits utilizando D0:31 y A0:31

VXI: VME eXtension Instrumentation

...


83

Bus VXI


84

Rack VXI


85

Sistema VXI


86

BUS PCIPeripheral Component Interconnect• CK: 33 MHz / 66 MHz Data: 32 bits /64 bits• Datos y direcciones multiplexados• Plug&Play. Espacio de configuración.• Modo Burst para lectura y escritura

CompactPCI• Compatible eléctricamente con PCI• Conectores y factores de forma de bus VME

Eurocard 3U o 6U• Consorcio de fabricantes (>500)

PXI: PCI eXtension Instrumentation ...


87

PCI Express es un bus alta velocidad, de propositos generales, serial point-to-point I/Ointerconectando computadoras y otras plataformas de comunicaciones

A B

PCI Express


88PCI Express = Ancho de banda sin compartir

Interconexión diferencial serie 2.5 Gb/sunidireccional dual de baja tensión (+/- 0.3V)

PCI Express 2: 5Gb/s speed

PCI Express


89

PCI Express. Principales características

PCI Express Device

PCI Express Device

Clock

Clock

• Conexión serie punto a punto

• 2.5Gb/s por señal y dirección:

BW útil = 2.5Gb/s 0.8 = 2Gb/s

• Ancho de banda por dirección

1x, 2x, 4x, 8x, 16x, 32x

0.25 0.5 1 2 4 8 GB/s

• Bus compatible con PCI.

• Espacio de configuración extendido con respecto a PCI

En cada dirección

PCI Express


90PCI Express. Factores de forma

1X

16X8X

4X

� Ancho de Banda Escalable� Soporta I/O & graficos

� Aumento mejor que ××××30 respecto del PCI

PCI ExpressIntroducción a la Instrumentación Virtual

91

Bus PXI


92

Rack PXI


93

Rack PXIe

8-Slot PXI Express Chassis for PXI and PXI Express Modules

• 4 PXI slots• 1 PXI Express system timing slot• 2 PXI Express hybrid slots

Ejemplo


94

Bus PXIBus PCI+ Señales de disparo (trigger) adicionales


95

Características del busy plataforma PXI

1IAD

“The New PC Platform for

Measurement and Automation”

Modular Instrumentation

NIDTF FI UPM


96

Niveles de comunicación


97

Arquitectura Software

Interfazdecomunicación

IVIVISA

LabVIEW

CVI

C++, etc

Niveles software

Interface Board

(GPIB, PXI, VXI, etc.)

SCPI


98

Niveles de comunicación. VISA

Virtual Instrument Software Architecture

Standard API para instrumentos programables

– Plataforma independiente (→→→→ SCPI commands)

– Interfaz independiente

– Interfaz a instrumentos con bus Serial, GPIB VXI

– →→→→ VISA es la columna vertebral de IVI

GPIB VXISerial PXI

VISA

VISA: Virtual Instrument Software Architecture


99

Niveles de comunicación. VISAVISA: Virtual Instrument Software Architecture


100

Niveles de comunicación. VISAVISA: Virtual Instrument Software Architecture


101

Niveles de comunicación. IVI

¿Qué es IVI?Interchangeable Virtual Instrument

ObjetivoMediante una librería IVI, el programador puede emplear rutinas estándar de alto nivel sin necesidad de conocer los comandos SCPI de cada instrumento

Ejemplohp33120a_ConfigureStandardWaveform (Generador, "1",HP33120A_VAL_WFM_SINE, amplitud, 0.00, frecuencia*1e3, 0.00);

IVI: Interchangeable Virtual Instrument

www.ivifoundation.org

IVI drivers


102

Niveles de comunicación. IVI

Ventajas de IVI

• Utilización de VISA (independizando la programación del interfaz utilizado)• Facilidad de intercambio de instrumentos (tipo y fabricante)• Posibilidad de trabajar con instrumentos simulados durante el desarrollo• Posibilidad de acceso a los instrumentos mediante una caché de estado, para

optimizar el tráfico del bus, cambiando el estado del instrumento de forma incremental.

• Posibilidad de programación multihilo.

IVI: Interchangeable Virtual Instrument



Buses de actuadores–sensores

Se han presentado múltiples iniciativas:Interbus-S de Phoenix ContactAS-i (Actuador-Sensor Interface)DeviceNet (Controller Area Network CAN)

Buses de campo

Se han presentado múltiples iniciativas:Bitbus de IntelFIP de origen francésPROFIBUS de origen alemánComité ISA SP 50

Requisitos para el Bus de Sensores/Actuadores


105

Field Buses

Buses de campo


106

Field Buses

Buses de campo• Son redes de área local dedicadas a adquisición

de datos y control de sensores y actuadores• El medio físico es usualmente un par trenzado de

bajo coste• Están optimizados para mensajes cortos punto a

punto• Gran Nº de estándares: Profibus, Interbus, CAN,

etc.• Mercado con gran expansión. Iniciado en la

industria química y petroquímica (1994).• Conexión en estrella y lineal



Características de un Bus de Campo

Diseñado para transmitir pequeñas cantidades de datosCubrir necesidades de tiempo realTener gran compatibilidad electromagnéticaNúmero reducido de estacionesFácil configuraciónProtocolos simples y limitadosBajos costes de conexiónPseudoconsistente con el modelo OSI de ISO

Ventajas que Aporta

Reducir coste de cableado de la instalaciónFacilita la ampliación o reducción de elementosPermite integrar los dispositivos menos inteligentes


Buses de Campo

Los buses de campo conectan actuadores, controladores,sensores y dispositivos similares en el nivel inferior de laestructura jerárquica de la automatización industrial.

Una arquitectura de bus de campo es un sistema abierto detiempo real. Pero no necesariamente ha de conformarse con elmodelo OSI de 7 capas, pues es más importante que la conexiónsea de bajo coste y alta fiabilidad frente a las posibilidades deinterconexión a redes generales


Estructura de Capas del Bus de CampoLa configuración más ampliamente consensuada es la de tres capas,correspondientes a las capas física, de enlace de datos y de aplicación.También usualmente se considera la capa de usuario.


Modelos de Relación de Aplicación

Maestro-Esclavo: Una entidad gobierna todos los servicios detransacción.

Orden ----------> RespuestaProductor-Consumidor: Cada entidad produce información, queadquieren los consumidores.

Consumo <---------- ProducciónCliente-Servidor: Dos entidades cooperan para proporcionarservicios de transacción. El cliente realiza una petición que elservidor procesa y sirve.

Petición ----------> IndicaciónConfirmación <---------- Respuesta

Publicista-Subscriptor: Las entidades operan autónomamente. Elpublicista publica datos a uno o más subscriptores, que no necesitanresponder.

Publicación ----------> Adquisición


Tipos de Buses de Campo

113

Bus CAN

CAN (Controller Area Network)• Bus serie de campo inicialmente definido para

vehículos. Desarrollado por Bosch• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acces

Collision Avoidance• ISO 11898• 1 Mbps. (velocidad típica)• Bus serie síncrono• Diseñado para baja tasa de errores• Bus tipo Broadcast. Cada nodo reacciona sólo a

los mensajes de su interés

ISO 11898


114

Bus CANCAN (Controller Area Network)• Señales con dos tipos de estados:

• Dominante (0) y Recesivo (1).Cableado lógico tipo And

• Protocolo CAN:• Varios niveles físicos• Mensajes por tramas• Reglas de arbitraje para la transmisión de mensajes.

• Comparación bit a bit del campo de arbitraje• Los conflictos se resuelven mediante:

El paso Dominante → Recesivo (del nodo no dominante).• Condición: dos nodos no pueden tener transmitir el mismo

campo de arbitraje• Detección y tratamiento de errores realizado por el IC que implementa

el protocolo CAN.


115

Bus CAN. Ejemplo de aplicación

GyroDirection

TelematicsprocessorSAF3100

Radio BasebandCarDSP or CASPSAA7706H/TEA6880A

GSM / CDMAPhone Module

Mic.

LSRadioFront-EndNICETEA6840H

SpeechrecognitionHelloICSBF1005

GPSFront EndUAA1570HL

CAN TXTJA1050

Gearbox: Forward/Reverse

Wheel Sensors / ABS: Speed pulse

CAN

Airbag

Emergency callInformationRoadside assistance

Diagnostics system / Climate Control

I²C

Philips



Tipos de Buses de Campo


Planificación de Redes – Estrategia Americana


Planificación de Redes – Estrategia Europea

Hardware de Adquisición de Datos

• La placa DAQ convierte a la PC en un

• Sistema de medición y automatización

Computer

Señal de Entrada

Placa DAQ

Placa Acondicionadora

Cable


Hardware de Adquisición de Datos

• La placa DAQ convierte a la PC en un

• Sistema de medición y automatización

Computer

Sensores

Placa DAQ

Placa Acondicionadora

Cable



Componentes de una placa DAQ

– Se usa para sincronizar multiplesdispositivos DAQ

– Permite compartir la temporizacióny las señales de disparo entre los dispositivos

Real-Time System

Integration (RTSI) Bus

Computer I/O Interface Circuitry

– Conecta la DAQ a la computadora

– Puede tener distintas estructuras de BUS

• PCI, PCI Express, PXI/Compact PCI, ISA/AT,

• PCMCIA, USB, IEEE 1394 (Firewire)

I/O Connector

– Conecta sus señales

(a través de la placa

acondicionadora y el

cable) a la placa DAQ



Multiplexor

Amplificador de Instrumentación

Circuitería de Entrada Analógica– Multiplexor (mux)Envía su salida al amplificador de instrumentación– Amplificador de Instrumentación



Multiplexor



Analog-to-DigitalConverter (ADC)– Convierte señales analogicas a valores Digitales– Se usa para las entradas analógicas



Multiplexor




– Convierte un valor digital a una señal analógica– Se usa para las salidas analógicas



Multiplexor





Digital I/O Circuitry– Sirve para entradas y salidas digitales– No puede medir frecuencia- No tiene asociado circuitos de temporización



Multiplexor





Digital I/O Circuitry– Sirve para entradas y salidas digitales– No puede medir frecuencia- No tiene asociado circuitos de temporización

Circuito Contador– Es de Entrada/Salida de señales digitales– Permite mediciones de frecuencia- Tiene un reloj y temporizador asociado


Resolución

• Es el número de bits que el ADC usa para representar la señal

• Determina cuantos valores de voltaje se pueden representar

• Example: resolución de 12-bitNº de niveles = 2resolución = 212 = 4,096 niveles

• Largo de palabra = da idea de la precisión en la representación de la señal. Coincide con la reslución

Características de Interés en las DAQ


Ejemplo de Resolución:• Con 3 bits de resolución se pueden representar 8 nivelesde voltaje• Con 16 bits de resolución se pueden representar 65,536 niveles de voltage

100 200150500

Time (µµµµs)

0

1.25

5.00

2.50

3.75

6.25

7.50

8.75

10.00

Amplitude(volts)

16-Bit Versus 3-Bit Resolution(5kHz Sine Wave)

16-bit resolution

3-bit resolution

000

001

010

011

100

101

110

111

| ||||

Rango

– Mínimos y maximos voltages que el ADC puede

digitalizar

– Las placas DAQ generalmente vienen en los rangos

• 0 to +10 volts

• -10 to +10 volts

– Seleccionar el rango adecuado a la aplicación

– Mínimo rango = representación mas precisa de la señal

• Esto permite usar toda la resolución disponible


Range

100 200150500Time (µµµµs)

01.25

5.00

2.50

3.75

6.257.50

8.75

10.00

Amplitude(volts)

Range = 0 to +10 volts(5kHz Sine Wave)

3-bit resolution

000

001

010

011

100

101

110

111

| ||||

100 20015050Time (µµµµs)

0

-7.50-10.00

-5.00-2.50

2.505.007.50

10.00

Amplitude(volts)

Range = -10 to +10 volts(5kHz Sine Wave)

3-bit resolution

000

001

010

011

100

101

110

111

| ||||

•Rango Apropiado

– Usando 8

niveles para

representar la

señal

•Rango

inapropiado

– Solo usa 4

niveles para

representar la

señal


Ganancia

– El ajuste de la ganancia permite amplificar

la señal para el mejor ajuste en el rango de

ADC. La ganancia varía entre 0.5, 1, 2, 5,

10, 20, 50, or 100 en la mayoría de las

placas

– La ganancia no se puede seleccionar, en

general se ajusta en forma automática o

por software

– Ganancia Apropiada = representación mas

precisa de la señal

– Permite utilizar toda la resolución

disponible


Ejemplo de Ganancia

100 200150500

Tiempo (µµµµs)

0

1.25

5.00

2.50

3.75

6.25

7.50

8.75

10.00

Amplitud(volts)

Diferentes Ganancias para 16 bits de Resolución(Onda senoidal de 5kHz)

Ganancia = 2

| ||||

Señal Original

• Límites de la señal de entrada = 0 to 5 Volts

• Selección del rango de ADC = 0 to 10 Volts

• Ganancia aplicada al amplificador de

instrumentación = 2


– Es el menor cambio de señal que es posible detectar,

está determinado por la resolución, el rango y la

ganancia

– Una pequeña Amplitud de código= mas precisa

representación de la señal

– Ejemplo: un dispositivo de 12 bits, rango = 0 to 10V,

ganancia = 1

Amplitud de Código(Code Width)


Amplitud de código = rangoe:ganancia * 2 resolution

12

Rango

ganancia* 2resolución

10

1 * 212= = 2,4 mV

Si el rango aumenta a 20 => 4,8 mVSi aumenta la ganancia a 100 => 24µV


Otros parámetros:

Tipo de Conversor (Doble rampa, Aproximaciones sucesivas, Flash,∆ - ∑) lo que determina el tiempo de conversión.

Número de canales

Tipo de aislación de entrada y salida (con reles, acople magnético, opto aislado)

RRMC (Relación de rechazo en modo común)

RRMD (Relación de rechazo en modo diferencial)


Data loggerTambién datalogger o data recorder, es un dispositivo electrónicoque registra datos en el tiempo o en relación a la ubicación ya sea con uninstrumento que incluye al sensor o por medio de instrumentos y sensores externos.

Normalmente se basan en un procesador digital (o computadora).

Por lo general son pequeños, con pilas, portátiles, y están equipadas con unmicroprocesador, memoria interna para almacenamiento de datos y sensores.

Algunos registradores de datos tienen interfaz con una PC y utilizan el software paraactivar el registrador de datos y ver y analizar los datos recogidos.

Otros tienen un dispositivo de interfaz local (teclado, pantalla LCD) y puede ser utilizado como un dispositivo independiente.

Los registradores de datos varían entre los de uso general para una serie deaplicaciones de medición a los productos muy específicos para la medición en unentorno o aplicación únicamente.

Es común que los tipos generales sean programables sin embargo muchos siguensiendo máquinas estáticas con un número limitado o nulo parámetros modificables.

Registradores de datos electrónicos han reemplazado a los registradores poligráficosen muchas aplicaciones.

Uno de los principales beneficios del uso de registradores de datos es la capacidadde recopilar automáticamente datos durante las 24 horas del día.


Tras la activación, los registradores de datos suelen ser dejarse sin atención paramedir y registrar la información durante el período de seguimiento.

Esto permite una visión clara y precisa de las condiciones ambientales objeto devigilancia, tales como la temperatura del aire y la humedad relativa.

El costo de registradores de datos ha ido disminuyendo con los años con la mejorade la tecnología rediciendo los costos. Un registrador de un solo canal puede costartan poco como U$s 25.

Registradores de mas canales pueden costar cientos o miles de dólares.


introducción a la instrumentación...

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