national instruments italy lutilizzo della strumentazione virtuale per le misure industriali
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National Instruments Italy
L’utilizzo della Strumentazione Virtuale per le Misure Industriali
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Agenda
• Introduzione alla strumentazione Virtuale• Elementi di una catena di misura• Dimostrazione di LabVIEW• Esercitazioni e supporti
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• Fondata nel 1989• 50+ dipendenti• Uffici a Milano e a Roma• Divisione Commerciale• Divisione Tecnica• Divisione Marketing• Divisione Didattica e Ricerca
– Sito www.ni.com/italy - Didattica e Ricerca
• Dispense• Esercitazioni• Opportunita’ di lavoro
National Instruments Italy
ISO 9002Certified
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Computer-Based InstrumentsComputer-Based Instruments
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PROCESSOR BUS
Conditioning
TimingA/D
D/A
DI/O
TI/O
DISPLAY
AND
CONTROL488 PORT
µPMath
MEMORYµP
ROM
Strumento standard vs strumento virtuale
• Register-mapped I/O• Limitate capacità di
espansione• Funzionalità fisse• Interfaccia esterna
• Memory mapped I/O• Processamento Dati Veloce• Connessione Internet/intranet • Online data logging/trending• Online report generation• Memoria Espandibile
PROCESSOR BUS
Conditioning
Timing
A/D
D/A
DI/O
TI/O
DISPLAY AND
CONTROL
488 PORT
µP
Math
MEMORY
µP
ROM
Control Panel
Flow
Pressure Alarm Conditions
STOP
Temperature
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IL PC dentro lo strumento
• Vantaggi – Interfaccia Windows familiare, aggiornamento software
automatico, connettività di rete– Potenza di processamento a più basso costo– Sistemi operativi standard – Aggiornamento software (on line) più facile
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IL PC dentro lo strumento
• Un esempio : HP Infinium
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Lo Strumento nel PC
• L’utilizzatore può scegliere il computer• L’utilizzatore acquista solo le funzionalità che utilizza• L’utilizzatore ha il controllo TOTALE del sistema• L’utilizzatore si avvantaggia delle nuove tecnologie
Gli strumenti nel PC sono il REALE vantaggio per l’ utente, permettendo di fruire appieno della rivoluzione tecnologia dei personal computer
Costi minori vs prestazioni migliori
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Gli Elementi di un sistema di Misura
Oscilloscopio
Multimetri Matrici
Sorgente di Segnale
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Strumenti su scheda• Alta risoluzione (8-24bit)• Trasferimento dati ad alta Velocita’
(AT CPCI/PXI)• Fino a 100MS/sec• Soluzioni:
– DMMs– Oscilloscopi– Analizzatori di spettro– Frequenzimetri– RF Analyzer (2.7GHz)
• Sofisticati sistemi di Triggering e Sincronizzazioni tra diversi dispositivi
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Una soluzione:Il PC Strumento!
Oscilloscopio
MultimetroMatrice
Gen.di Funzioni
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Sistemi di Misura e Controllo
Hardware & Driver SoftwareHardware & Driver Software
MotionControlMotionControl
PXIPXIUnita’ sotto testUnita’ sotto test
Software ApplicativoSoftware Applicativo
ImageAcquisition
ImageAcquisition
VXIVXI
DAQDAQ
GPIBGPIB
SerialSerial
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Componenti della Misura
Condiziona-mento
Condiziona-mento DigitalizzazioneDigitalizzazione ComputerComputerSegnali
SensoriSegnali Sensori
AmplificazioneAttenuazioneIsolamentoFiltraggio
MultiplexingEccitazione
SSHF-to-V
Bridge Comp.
AmplificazioneAttenuazioneIsolamentoFiltraggio
MultiplexingEccitazione
SSHF-to-V
Bridge Comp.
FrequenzaRisoluzioneFrequenza
Risoluzione
AnalisiPresentazioneDistribuzione
AnalisiPresentazioneDistribuzione
TermocoppieRTD
TermistoreStrain Gauge
PressioniCarichi
TensioniCorrentiDigitali
TermocoppieRTD
TermistoreStrain Gauge
PressioniCarichi
TensioniCorrentiDigitali
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Le schede di acquisizione dati
• Un classico esempio: scheda DAQ su PCI– 8 canali ADC 12/16 bit
• Guadagno programmabile • Range di ingresso selezionabile• Da 20 a 100000 KS/s
– 2 canali DAC 12/16 bit• Uscita fino a 42Volts
– Da 8 a 32 I/O digitali TTL– 2 Contatori/Temporizzatori
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Tecnologie presenti in una scheda DAQ
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Schema a blocchi di una scheda DAQ
ADCMUX NI-PGIA
Counter I/O
Digital I/O
NI MITE
Analog OutputNI DAQ-STC
Bus disinconizzazione
Analog Input
Multiplexer Amplificatore Convertitore Analogico/Digitale
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Multiplexers
Scopo: incrementare il numero dei canali
ADC
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Acquisizione con Multiplexers
Interchannel Delay Phase Shift
Each signal is routed through the multiplexer Time delay between sampling of each channel Phase shift is negligible for most applications
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Campionamento Simultaneo
No Phase Shift
T/H
T/H
Digitizer control signal locks the track-and-hold amplifiers
Signals are routed through the multiplexer Track-and-hold amplifiers are released
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Tecniche di miglioramentodel rapporto segnale rumore
( Dithering )
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Tecniche per il miglioramento della risoluzione
• Dithering (12-bit only)• Noise-rejecting op-amps• Carefully designed (Gaussian) noise floor
Noi
se +
Qua
ntiz
atio
n Er
ror (
LSB
)
Number of Averaged Samples
Without
NI
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Dithering
Actual Signal1 bit (4.8 mV for 12-bit board with +/- 10 V input range)
12-bit Without Dithering
9
0
Weighted Average = 4.8mV
Actual Signal = 3.3mV
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Dithering
1 bit (4.8 mV for 12-bit board with +/- 10 V input range)
Dithering Applied
6
3
Dithered Weighted Average = 3.2mVActual Signal = 3.3mV
Weighted Average = 4.8mV
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Tecniche di miglioramentodel rapporto segnale rumore
Range & Guadagno
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Range
100 20015050Time (s)
0
-7.50-10.00
-5.00
-2.50
2.50
5.00
7.50
10.00
Amplitude(volts)
Range = -10 to +10 volts(5kHz Sine Wave)
3-bit resolution
000
001
010
011
100
101
110
111
| ||||
– La risoluzione dell’ A/D è distribuita all’ interno del range di acquisizione• Massima Risoluzione = Range Corretto
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Condizionamento: amplificazione
16-bitDigitizer
10 mVsignal
Solo 32 livellidi risoluzione!
16-bitDigitizer
10 Vsignal
65,536 livellidi risoluzione
Ottimizza la risoluzione nel range di misura scelto
Amplifier
Range +/-10 Volts
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Condizionamento: amplificazione
Migliora il rapporto segnale/rumore (SNR)
Amplifier
Segnale di basso
livelloAmplificatore esterno Scheda DAQ
Cavi
Amplificatore differenziale di classe strumentale
Rumore
ADC+_
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Esempio di amplificazione
100 200150500Time (s)
01.25
5.00
2.503.75
6.257.508.75
10.00
Amplitude(volts)
Different Gains for 16-bit Resolution(5kHz Sine Wave)
Gain = 2
| ||||
Your Signal
Gain = 1
• Segnale d’ ingresso = 0 - 5 Volts• ADC Range = 0 - 10 Volts• Settaggio del guadagno dell’ amplificatore = 2
Amplified Signal
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Signal to Noise Ratio (SNR)
SignalVoltage
S.C.*Amplification
Noise inLead Wires
DAQ BoardAmplification
DigitizedVoltage
SNR
Amplify only atDAQ Board
.01 V None .001 V x100 1.1 V 10
Amplify at S.C.*and DAQ Board
.01 V
.001 V
.001 V x10
x100
x10 1.01 V 100
Amplify only atS.C.*
.01 V None 1.001 V 1000
– Maggiore è l’ SNR, meglio è– Obbiettivo: amplificare il segnale, NON il rumore
* S.C. = Signal Conditioning
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Esempio : acquisizione di una termocoppia
TermocoppiaDAQ Signal
Accessory
Scheda DAQ
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Un amplificatore in classe strumentale: NI-PGIA
Garantisce un tempo di assestamento bassissimo, anche a frequenze di campionamento elevate
0.0
20.0
40.0
60.0
0 150 300
Sampling Rate (kS/s)Se
ttlin
g Ti
me
(LSB
)
Other
NI
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Altre tecniche: auto calibrazione
Drif
t Err
or (%
)Time
NI
Other
• Misure migliori e più stabili nel tempo
• Riduzione dell’ effetto del drift in temperatura dei componenti
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Circuito di protezione dal drift in temperatura
Temperature (°C)Te
mpe
ratu
re E
rror
(%)
• Uso di reti di compensazione e componentistica di grado superiore
• Auto calibrazione basata su una sorgente a bordo precisa
• Sensore di temperatura a bordo
Tutto ciò assicura un comportamento uniforme a standard elevati a prescindere dalla temperatura ambiente
NI
Other
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Caratterizazione del convertitore analogico/digitale
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Risoluzione di un convertitore AD
100 200150500
Time (s)
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
3-bit
000
001
010
011
100
101
110
111
| ||||
• La dinamica di conversione può essere migliorata giocando con il range ed il guadagno
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Frequenza di campionamento
• E’ la frequenza di conversione dell’ A/D (Hertz)
• Va seguito il Teorema di Nyquist
• Fcampionamento>=2*Fsegnale
Ben campionato
Aliasato per sottocampionamento
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Aliasing
• Sottocampionare un segnale analogico può dar vita all’ apparire di “frequenze fittizie” nella banda di interesse
• Un segnale aliasato non può più essere correttamente ricostruito
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Prevenire l’ aliasing
• Incrementare la frequenza di campionamento• Inserire un filtro passa-basso anti alias
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Filtri Anti-Aliasing
• E’ un filtro analogico passa basso
• Taglia fuori le componenti a frequenze superiore che potenzialmente possono dare alias
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L’ importanza del driver di misura:Measurement and Automation Explorer
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LabVIEW™
• Pannello Frontale• Interfaccia Utente Grafica • Indicatori e Controlli
• Diagramma a Blocchi• Codice Sorgente • Libreria delle “funzioni”• Rapido sviluppo di codice• Auto-documentante
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LabVIEW Programming
• Compiled graphical programming• Wires and icons• Development time reduction by 4 to 10X • Full-fledged programming environment
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Dataflow Programming
PlotPlot
SaveSave
RMSRMSExecute
In ParallelExecute
In Parallel
• Wires pass data (nonlinear)• Data flows from sources to sinks• Code can execute multiple operations in parallel
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Hierarchy of VIs
• Modular design• Reusable building blocks• Hierarchal system
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Alcuni esempi di Strumenti Virtuali
• Esempio n°1• Esempio n°2• Esempio n°3