tổng quan về hệ thu thập dữ liệu và điều khiển

Chöông 1

Tổng quan về hệ thu thập

dữ liệu và điều khiển

Nội dung

1.1 Giới thiệu về hệ DAQ

1.2 Cấu hình cơ bản của hệ DAQ

1.1. GIÔÙI THIEÄU

Định nghĩa: thu thập dữ liệu (data acquisition) là quá trình mà tín hiệu vật lý từ thế giới thực được chuyển 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 [2]

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 (Data Acquisition and Control)

Các thành phần cơ bản của hệ DAQ

Một hệ DAQ được xây dựng trên cơ sở sức mạnh của máy tính bao gồm nhiều khối phần cứng từ các nhà sản xuất khác nhau. Nhiệm vụ của các nhà tích hợp là kết hợp các khối phần cứng này thành một hệ thống hoàn chỉnh

Các thành phần cơ bản của một hệ DAQ là : Cảm biến và các bộ chuyển đổi

Dây nối và truyền thông

Khối xử lý tín hiệu

Phần cứng thu thập dữ liệu

PC (hệ điều hành)

Phần mềm thu thập dữ liệu

1.1. GIÔÙI THIEÄU (Cont’)

Chức năng từng khối:

Chuyển đổi và cảm biến

Bộ chuyển đổi và cảm biến cung cấp một kết nối (thực)

giữa thế giới thực và hệ DAQ nhờ vào việc chuyển đổi

các đại lượng vật lý sang tín hiệu điện mà bộ xử lý tín

hiệu và/hoặc hệ DAQ chấp nhận

Các bộ chuyển đổi hiện tại có thể sử dụng cho hầu hết

các phép đo vật lý và cung cấp tín hiệu điện tương ứng.

Ví dụ: cặp nhiệt, nhiệt điện trở và IC nhiệt chuyển đổi

nhiệt độ sang một tín hiệu điện analog, trong khi bộ đo

lưu lượng (flow meter) cung cấp một tín hiệu chuỗi xung

có tần số phụ thuộc vào tốc độ của dòng chảy

Trong mỗi trường hợp trên, tín hiệu điện đầu ra tỉ lệ với

đại lượng vật lý được đo lường theo quan hệ định trước


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 thường dễ chịu tác động của nhiễu bên

ngoài đặc biệt trong môi trường 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


Chức năng từng khối: (cont’)

Khối xử lý tín hiệu:

Tín hiệu điện đầu ra của cảm biến cần được chuyển sang dạng thích hợp, được chấp nhận bởi phần cứng khối thu thập dữ liệu, đặc biệt là bộ chuyển đổi A/D.

Các nhiệm vụ của khối này có thể là:

Lọc

Khuyếch đại

Tuyến tính hóa

Cách ly

Kích thích


Phần cứng thu thập dữ liệu:

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 (cont’):

Phần cứng thu thập dữ liệu tồn tại dưới nhiều

hình thức khác nhau từ nhiều nhà sản suất, 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 các thiết bi

độc lập từ xa có thể điều khiển và định cấu hình

từ máy tính qua chuẩn giao tiếp IEEE-488


Phần mềm thu thập dữ liệu: có ba lựa chọn

Đọc và xuất dữ liệu trực tiếp dùng: assembly,

hoặc các ngôn ngữ cấp cao như Pascal,

C/C++…

Dùng driver đi kèm với phần cứng cung cấp bởi

nhà sản xuất

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

PC: ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ thu thập và xử lý

dữ liệu

1.2. Cấu hình của hệ DAQ

Việc lựa chọn cấu hình cho hệ DAQ phụ thuộc vào:

Khoảng cách từ PC đến các sensor hoặc thiết bị đo

lường. Đây là một yếu tố quan trọng vì 2 lý do chính: Thứ

nhất, nếu phải dùng dây dài từ PC đến cảm biến có thể

tốn nhiều kinh phí đặc biệt trong các hệ thống lớn. Thứ

hai, cứ mỗi đơn vị chiều dài của dây nối được tăng thêm

cũng đồng thời tăng nhiễu tác động lên phép đo. Gắn hệ

PC gần nguồn tín hiệu có thể giảm nhiễu do khoảng

cách truyền.

Khả năng di động (có thể di chuyển) của hệ thống. Một

số hệ thống yêu cầu phải di chuyển nhiều vị trí khác

nhau. Các thiết bị dễ mang theo này được cung cấp ở

dạng đóng gói gọn nhẹ thích hợp yêu cầu di chuyển.

Việc lựa chọn cấu hình hệ DAQ (cnt’) Số lượng các kênh I/O. Việc chọn cấu hình DAQ cần dựa

vào số lường I/O sẽ cần sử dụng. Hầu hết các PC hiện nay chỉ có một vài khe I/O tuy nhiên vẫn có các PC đặc biệt với số lượng I/O mở rộng nhiều.

Sự lỗi thời của PC. Vì công nghệ về PC thay đổi rất nhanh nên cần chú ý khả năng thay thế phần cứng PC của hệ, nên cân nhắc giữa hệ DAQ có dùng PC hoặc các external box.

Máy tính chủ. Cần chú ý các đặc điểm về giao tiếp và mở rộng của máy tính trung tâm để chọn cấu hình DAQ thích hợp.

Giá cả

Tốc độ



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

1.2.1 Vào/ra tập trung

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

Thöôøng được sử dụng trong các ứng dụng mà PC ở

gần cảm biến và cơ cấu chấp hành.

1.2.1 Vào/ra tập trung (cont’)

Sô ñoà vaøo/ra taäp trung:

PD2-AO-16/16 ( Card PCI có 16 kênh, 16bit và tốc

độ 100kS/s cho mỗi kênh ra tương tự

Dùng cho khe cắm PCI

16 kênh ra analog với độ phân giải 16bit

8 ngõ vào số, 8 ngõ ra số

Ba ngõ vào ngắt/clock, 3 bộ timer/counter 24 bit

Dạng sóng độc lập ở mỗi kênh

Cập nhật đồng thời các kênh, chức năng cập nhật theo

sự kiện bên ngoài

2k bộ nhớ đệm onboard (upgradable to 64k samples)


1.2.2. Vào/ra phân tán

Sensor và cơ cấu chấp hành thường ở xa PC, thường trong môi trường sản xuất CN, cảm biến và cơ cấu chấp hành ở trong môi trường khắc nghiệt và bao phủ trong một diện tích rộng cách xa PC hàng trăm mét.

Trong môi trường có nhiễu, khó có thể nhận được tín hiệu nhỏ từ các cảm biến như cặp nhiệt, strain gauge qua đường truyền dài.

Dây nối từ sensor về PC dài và có thể tốn kém

Giải pháp: Vào/ra phân tán, nghĩa là module xử lý tín hiệu được đặt gần mỗi sensor tương ứng. Mỗi sensor cần có một module xử lý tín hiệu.

Giải pháp này có thể tốn kém nếu có nhiều sensors nhưng được bù đắp bởi chất lượng tín hiệu và độ chính xác.

1.2.2. Vào/ra phân tán (cont’)

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 VXL và ADC để chuyển tín hiệu

cần đo sang dạng số. Tín hiệu dạng số này được

truyền về PC bằng chuẩn RS-232 hoặc RS-485

RS-232 (point to point): cồng kềnh khi có nhiều điểm

RS-485: (multi-drop): giảm 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)

Thường cần bộ chuyển đổi RS-232 sang RS-485 do

hầu hết các PC không hổ trợ chuẩn RS-485

1.2.2. Vào/ra phân tán (cont’)

Sơ đồ khối :

1.2.3. Các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc 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

Có thể họat động độc lập mà không cần PC (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 ( ex: điều khiển nhiệt độ

trong các xe tải đông lạnh)

Söû duïng card PCMCIA ñeå nhaäp döõ lieäu töø boä thu thaäp

döõ lieäu ñoäc laäp



Sô ñoà boä thu thaäp döõ lieäu ñoäc laäp qua giao tieáp noái tieáp

RS-232

Keát noái boä thu thaäp döõ lieäu ñoäc laäp qua maïng ñieän

thoaïi hay radio


Heä thu thaäp döõ lieäu phaân taùn


1.2.3. Các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc phân

tán

DI-715B Data Logger products operate Stand-alone or PC-connected

Bộ thu thập dữ liệu độc lập DI-715B của DATAQ

cho phép dữ liệu lưu vào SD card

Bao gồm 8 kênh vào analog cho phép mở rộng 16

module

1.2.3. Các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc phân

tán

1.2.4. Các dụng cụ 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 lab nghiên cứu hoặc đo thử trong

công nghiệp

Có hàng ngàn sản phẩm trên thị trường hỗ trợ

chuẩn giao tiếp này


Caáu truùc heä GPIB thoâng duïng:


Card thu thập dữ liệu hỗ trợ IEEE – 488

được sử dụng trong hệ DAQ


Bộ điều khiển áp suất Druck DPI 515 được

sử dụng trong đo lường và điều khiển áp

suất khí nén

Bộ điều khiển có thể cho phép đo lường 2

kênh vào áp suất và có giao diện IEEE-488

để giao tiếp với HostPC

tổng quan về hệ thu thập dữ liệu và điều khiển

Documents