Introducción a la
Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
Arquitectura de un sistema de Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
• Adquisición de datos
Introducción a la Instrumentación Virtual
*¿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).
Introducción a la Instrumentación Virtual
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)
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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.
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• 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
Introducción a la Instrumentación Virtual
Información de la
Señal Digital
Digital
Estado
Frecuencia
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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
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• 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
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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.
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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).
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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
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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
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Sensor1
DAC
PR
OC
ES
AD
OR
Canal 1
Salida
Acondicinador1
Sensor2Canal 1
Acondicinador2
Sensorn
Canal n Acondicinadorn
ADC1
ADC2
ADCn
Canales en Paralelo
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Multiplexado se señales:
Multiplexor Demultiplexor
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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:
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Señales en modo diferencial:
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Canales simples o diferenciales
Multip
lexor
Canales de entrada
analógicos
Multip
lexor
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Armado Modular (según nuestras necesidades)
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Rack o Gabinete con Bahías
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Rack armado con placas de distinta procedencia
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Medios de intercomunicación:
Los buses
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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
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Elementos básicos de un bus• Líneas de datos• Líneas de dirección• Líneas de control
D1 D2
DATA
DIR
CON
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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
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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.
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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
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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
…
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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
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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
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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
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Interfaces
Interfaz RS-232 RS-422 RS-485RS:
Recommended Standard
RS-232 Instrument
RS-232 Cable
PC SerialPort
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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
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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
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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
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44
Interfaz RS-232
Control mediante Sw
Introducción a la Instrumentación Virtual
45
Interfaz RS-232
Señales básicas Full DuplexCon control Hw
Introducción a la Instrumentación Virtual
46
Interfaz RS-232Control mediante Hw
RTS RTS
Datos
Control
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47
Interfaz RS-232Ejemplo deconfiguraciónen MicrosoftWindows
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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
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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
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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
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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
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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
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53
Revisión general de otros buses serie utilizados en instrumentación
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54
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
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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
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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
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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
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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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59
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
60
Bus FireWire / IEEE 1394a/b/c
Estándar IEE-1394.Aplicaciones multimedia
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61
Estándar IEEE-1394. Conexiones multimedia
Bus FireWire / IEEE 1394a/b/c
Introducción a la Instrumentación Virtual
62
Estándar IEEE-1394. Conexiones para instrumentación GPIB y VXI
VXI-1394
Bus FireWire / IEEE 1394a/b/c
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
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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
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65
LAN (Local Area Network) Revisión básica
• Empleado ampliamente en sistemas para adquisición de datos.
• Mediante TCPIP → Conexión a Internet
www.lxistandard.org
IEEE 802.3 xxEthernet
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66
Ethernet
LAN (Local Area Network) Revisión básica
• 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
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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
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68
Bus de instrumentación
GPIB
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
...
Introducción a la Instrumentación Virtual
72
Bus GPIB / IEEE-488Descripción del cable y conectores
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
76
Bus GPIB / IEEE-488
Estructurade lasseñalesdelConector
16 señales
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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)
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
...
Introducción a la Instrumentación Virtual
83
Bus VXI
Introducción a la Instrumentación Virtual
84
Rack VXI
Introducción a la Instrumentación Virtual
85
Sistema VXI
Introducción a la Instrumentación Virtual
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 ...
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
92
Rack PXI
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
94
Bus PXIBus PCI+ Señales de disparo (trigger) adicionales
Introducción a la Instrumentación Virtual
95
Características del busy plataforma PXI
1IAD
“The New PC Platform for
Measurement and Automation”
Modular Instrumentation
NIDTF FI UPM
Introducción a la Instrumentación Virtual
96
Niveles de comunicación
Introducción a la Instrumentación Virtual
97
Arquitectura Software
Interfazdecomunicación
IVIVISA
LabVIEW
CVI
C++, etc
Niveles software
Interface Board
(GPIB, PXI, VXI, etc.)
SCPI
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
99
Niveles de comunicación. VISAVISA: Virtual Instrument Software Architecture
Introducción a la Instrumentación Virtual
100
Niveles de comunicación. VISAVISA: Virtual Instrument Software Architecture
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
105
Field Buses
Buses de campo
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
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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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
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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
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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.
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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
Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
Tipos de Buses de Campo
Introducción a la Instrumentación Virtual
Planificación de Redes – Estrategia Americana
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
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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
Introducción a la Instrumentación Virtual
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
Componentes de una placa DAQ
Multiplexor
Amplificador de Instrumentación
Circuitería de Entrada Analógica– Multiplexor (mux)Envía su salida al amplificador de instrumentación– Amplificador de Instrumentación
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Componentes de una placa DAQ
Multiplexor
Amplificador de Instrumentación
Circuitería de Entrada Analógica– Multiplexor (mux)Envía su salida al amplificador de instrumentación– Amplificador de Instrumentación
Analog-to-DigitalConverter (ADC)– Convierte señales analogicas a valores Digitales– Se usa para las entradas analógicas
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Componentes de una placa DAQ
Multiplexor
Amplificador de Instrumentación
Circuitería de Entrada Analógica– Multiplexor (mux)Envía su salida al amplificador de instrumentación– Amplificador de Instrumentación
Analog-to-DigitalConverter (ADC)– Convierte señales analogicas a valores Digitales– Se usa para las entradas analógicas
– Convierte un valor digital a una señal analógica– Se usa para las salidas analógicas
Introducción a la Instrumentación Virtual
Componentes de una placa DAQ
Multiplexor
Amplificador de Instrumentación
Circuitería de Entrada Analógica– Multiplexor (mux)Envía su salida al amplificador de instrumentación– Amplificador de Instrumentación
Analog-to-DigitalConverter (ADC)– Convierte señales analogicas a valores Digitales– Se usa para las entradas analógicas
– Convierte un valor digital a una señal analógica– Se usa para las salidas analógicas
Digital I/O Circuitry– Sirve para entradas y salidas digitales– No puede medir frecuencia- No tiene asociado circuitos de temporización
Introducción a la Instrumentación Virtual
Componentes de una placa DAQ
Multiplexor
Amplificador de Instrumentación
Circuitería de Entrada Analógica– Multiplexor (mux)Envía su salida al amplificador de instrumentación– Amplificador de Instrumentación
Analog-to-DigitalConverter (ADC)– Convierte señales analogicas a valores Digitales– Se usa para las entradas analógicas
– Convierte un valor digital a una señal analógica– Se usa para las salidas analógicas
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
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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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
– 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)
Introducción a la Instrumentación Virtual
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
Introducción a la Instrumentación Virtual
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)
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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.
Introducción a la Instrumentación Virtual
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.
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