1 instrumente i instrumenta ie
Download
1 / 51

1 . Instrumente şi instrumentaţie - PowerPoint PPT Presentation


  • 58 Views
  • Uploaded on

1 . Instrumente şi instrumentaţie.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' 1 . Instrumente şi instrumentaţie' - loc


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
1 instrumente i instrumenta ie

1. Instrumente şi instrumentaţie

Instrumente sunt dezvoltate pentru detecţia şi măsurarea variabilelor fizice care sunt esenţiale în operaţiunile industriale, aplicatii de mediu, de cercetare şi dezvoltare (R & D), de transport, echipamente militare, precum şi în viaţa noastră de zi cu zi.

Sistemele de instrumentaţie sunt colecţii de instrumente legate între ele în de reţea ca să comunice unul cu celălalt, direct sau prin intermediul unor dispozitive intermediare, cum ar fi calculatoarele sau microprocesoarele.

Tehnologia de comunicare fără fir (wireless) este în măsură să răspundă nevoilor de comunicare şi eficientă pentru toate tipurile de instrumente şi sisteme de instrumentaţie.


1 1 m sur tori

1.1 Măsurători

Măsurarea este un proces de colectare de informaţii din lumea fizică (reală) prin intermediul unor proceduri la nivelul standardelor naţionale şi internaţionale.

Funcţionalitatea unui instrument este aceea de a menţine o relaţie prescrisăîntre valorile numerice măsurate şivariabila fizică aflată sub investigaţie.

Un instrument tipic are mai multe componente, senzorii si traductoarele fiind elementele primare care răspund la variabilele fizice şi generează semnale utile.

Un senzor este o entitate fizică care converteşte un fizic variabila într-un semnal electric procesabil.

Similar cu senzorii, traductoarele, de asemenea, convertescenergia dintr-o o forma în alta între două sisteme fizice.


Senzor versus traductor

Senzor versus traductor

Un senzor este un dispozitiv care răspunde la un stimul fizic (sub formă de căldură, lumină, sunet, presiune, magnetism, sau o mişcare special) şi transmite un impuls rezultat (un semnal cu privire la cantitatea care trebuie măsurată). De exemplu, senzori de temperatură anumite transforma într-o schimbare în rezistenţă.

Un traductor este un dispozitiv care este alimentat cu putere de la un sistem de surse de alimentare şi şi furnizează putere, de obicei sub altă formă, către un al doilea sistem. De exemplu, un difuzor este un traductor care transformă semnale electrice în energie de sunet. De multe ori cuvintele tranductor şi senzor sunt folosite ca sinonime.

Senzoruldoar sesizează o cantitate fizică (parametru). Acesta nu efectuează nici o conversieTraductor = senzor+ element de conversie converteşte o formă de energie într-o altă formă.


1 1 m sur tori1

1.1 Măsurători

Odată convertite pentru în formă electrică, relaţia dintre semnalele de senzorşi variabilele fizice poate fi exprimată printr-o funcţie de transfer, un model matematic între semnalul de la senzor şi variabila fizică.

Într-un sistem continuu, funcţia de transfer poate fi liniară sau neliniară. De exemplu, o relaţie liniară este exprimată prin următoarea ecuaţie:

unde y este semnalul electric de la senzor, x este stimulentul fizic, a este un interceptpe axa y, care dă semnalul de ieşire zero pentru o intrare zero, b este panta, de asemenea, cunoscută sub numele de sensibilitate


1 1 m sur tori2

1.1 Măsurători

Semnalul de ieşire y reprezinta variabila fizică în amplitudini, frecvenţe, faze, sau alte proprietăţi ale semnalelor electrice, în funcţie de proiectarea şi construcția unui senzor special şi de natura variabilei.

Funcţiile neliniare de transfer pot fi logaritmică, exponenţială, sau alteforme de funcţii matematice.

În multe aplicaţii, un semnal neliniar de la un senzor poate fi linearizat în anumite limite (pe anumite intervale).


1 2 arhitectura instrumentelor i instrumenta ia

1.2Arhitectura instrumentelor şi instrumentaţia

Funcţionalitatea unui instrument tipic poate fi divizată în componente mai mici, ca în figura:

În general, semnalele de la senzori nu sunt potrivite pentru afişarea, înregistrarea, sau transmiterea în forma lor brută.

Amplitudinile, nivelurile de putere, sau lăţimile de bandă ale semnalelor de la senzori pot fi foarte mici sau potavea un zgomot excesiv şi suprapusă o interferenţă care maschează componentele dorite.

Condiţionatoarelede semnaladaptează semnalele de la senzor la un nivel acceptabil şi forme care se pretează pentru prelucrare si de afişare.


1 2 1 semnale i condi ionarea semnalelor

1.2.1 Semnale şi condiţionarea semnalelor

Masurarea variabilelor fizice, în general, duce la generarea de semnaleelectrice.

Un semnal poate fi definit ca "orice cantitate fizică care variază , cu timpul, spaţiul, sau orice altă variabilă sau variabile independente“

În unele aplicaţii în cazul în care sunt prezente mai multe surse de semnal, sunt folosiţi mai mulţisenzori pentru a genera semnale. Aceste semnale pot fi reprezentate sub formă de vectori.

În general, în cazul în care semnalul este o funcţie de o singură variabilă independentă,acesta se numeşte un semnal unidimensional.

În mod similar un semnal se numeşte m-dimensional dacă valoarea sa este o funcţie de m variabile independente (de exemplu, în cazul unui cutremur, semnalele sunt culese de la diferite accelerometre).

Orice semnal care poate fi exprimat printr-o expresie matematică explicită sau printr-un sistem de reguli bine definite este numit semnal deterministic.

Semnalele deterministice pot fi: continue sau discrete.


1 2 1 semnale i condi ionarea semnalelor1

1.2.1 Semnale şi condiţionarea semnalelor

Semnale deterministice continue = semnale analogice

- sunt definite pentru fiecare valoare de timp de la -∞ la +∞

- pot fi: periodice sau aperiodice

semnale continue periodice sinusoidale

semnale continue periodice exprimate prin serii Fourier

ca o combinaţie de forme de undă sinusoidale

Semnale discrete sunt definite doar la intervale discrete de timp. Intervalele de timp pot să nu fie egale, dar, practic, din considerente de calcul, acestea sunt considetare egale

unde


1 2 1 semnale i condi ionarea semnalelor2

1.2.1 Semnale şi condiţionarea semnalelor

Semnale digitale sunt reprezentate ca 1 şi 0. Aceste semnale pot fi generate digital sau obţinute de la semnale analogice prin aplicarea corespunzătoare a convertoarelor de semnalanalog-digitale (A / D).

Semnalele digitale au multe avantaje faţă de semnalele analogice. Din moment ce acestea sunt doar 1 şi 0, ele sunt uşor de generat, procesat, înmagazinat, multiplexat şi transmis. Acestea sunt relativ imune la zgomot, corecţiile de eroare pot fi efectuate cu uşurinţă, criptarea şi a alte probleme de securitate pot fi uşor de abordat.

Cu toate acestea, ele necesită o mai mare lăţime de bandăpentru comunicare, în special în cazul în care sunt utilizatetehnicile fără fir.

Semnalele aleatorii sunt semnale care variază neregulat în timp.

Semnale aleatoare nu pot fi descrise deterministiccu un grad de precizie rezonabil sau descrierea este prea complicată pentru a putea fi folosită în practică.


1 2 1 semnale i condi ionarea semnalelor3

1.2.1 Semnale şi condiţionarea semnalelor

Cu toate acestea, metodele statistice şi teoria probabilităţilor pot fi folosite pentru analiza acestor semnale, prin preluarea de eşantioane reprezentative.

Teoretic perioada de timp necesară pentru a obţine o descriere completă a acestor semnale este infinit de lungă .

Instrumente matematice, cum ar fi distribuţia probabilistică, densitatea de probabilitate, spectrele de frecvenţă, corelaţiile în cruce, autocorrelations, transformatele Fourier digitale (DFTs), transformata Fourier rapidă(FFTs), şi de analiză autospectrală, valorile efective, şi analizafiltrelor digitalesunt unele dintre tehnicile care pot fi utilizate.

În cazul în care proprietăţile statistice ale semnalelor nu variază în timp, semnalul este numit un semnal staţionar aleatoriu.


1 2 1 semnale i condi ionarea semnalelor4

1.2.1 Semnale şi condiţionarea semnalelor

  • Semnalele pot fi, de asemenea, clasificate în funcţie de

    • nivelul lor amplitudine;

    • relaţia dintre terminale sursei şisol;

    • lăţimea de bandă;

    • proprietăţile impedanţei de ieşire.

  • În ceea ce priveşte amplitudinea, în general, semnalele cu amplitudine mai mică de 100 mV sunt considerate a fi de nivel redus și prin urmare sunt semnale care au nevoie de amplificare.

  • Semnalele de tip single-ended sunt semnale care provin de la o sursă care are unul din cele două terminale de ieșire ale sale menținut la un potențial de valoare constantă. De obicei unul dintre terminale este legat la masă și acest terminal servește ca și punct comun pentru alte semnale.

  • O sursă de semnal diferențială are cele două terminale de ieșire ale căror valori de potențial se modifică simultan, cu aceeași amplitudine, dar în sensuri contrare. Orice alt semnal provenind de la aceeași sursă trebuie să aibă două terminale diferențiale. Exemplu de semnal diferențial: tensiunea de ieșire de la o punte.


1 2 1 semnale i condi ionarea semnalelor5

1.2.1 Semnale şi condiţionarea semnalelor

Semnalele de bandă îngustă au un interval frecvenţe foarte mic în raport cu spectrul de frecvenţe central. Un semnal de bandă îngustă poate fi la un nivel de curent continuu (DC), sau aproape continuu ca urmare, a unor surse de semnal de joasă frecvenţă (cum ar fi termocuple), sau la un nivel de curent alternativ (AC), cum ar fi cele obţinute de la senzorii comnadați în curent alternativ.

Semnalele de bandă largă au o gamă largă de frecvenţă relativ la frecvenţa centrală a acestora. La semnalele de bandă largă, valoarea frecvenţei centrale este importantă; de exemplu, un semnal de la 1 Hz raportat la 10 Hz poate fi considerat a fi un semnal de bandă largă pentru instrumentele de măsură, în timp ce două semnale de 20 kHz raportate la o frecvență în jur de 2 MHz, poate fi considerat ca un semnal de bandă îngustă.


1 2 2 tipuri de instrumente

1.2.2 Tipuri de instrumente

  • Instrumentele pot fi clasificate în

    • instrumente analogice

    • instrumente digitale

    • combinație de cele două

  • Avantajele instrumentelor digitale:

    • flexibilitatea în design

    • programare

    • usurinta in utilizare

    • comoditate în comunicarea cu alte dispozitive

  • Cu toate acestea,partea interfața cu utilizatorul a multor instrumente digitale este încă analogică din moment ce majoritatea senzorilor si traductoarelor generează semnale analogice.

  • Semnale analogice sunt convertite la forme digitale pentru instrumentele digitale şi instrumente.


1 2 2 tipuri de instrumente1

1.2.2 Tipuri de instrumente

  • Instrumentele pot fi clasificate în

    • portabile, care se bazează pe o sursă re putere proprie și pot fi utilizare în locuri diferite

    • fixe sunt dependente de o sursă de putere, sunt în general înglobate într-o aparatură de laborator sau a unei instalații de măsură și control (tablou de bord, etc.)

  • Ambele tipuri pot fi analogice sau digitale.

  • Instrumente analogice operează exclusiv pe principii analogice, de aceea ele măsoară, transmit, afișează, şi stochează datele într-o formă analogică.

  • Semnalele provenite de la variabilele fizice care instrumentele analogice trebuie să le procesezepot fi deterministice sau nedeterministice, şi pot conţine diverse forme de de zgomot excesiv.

  • Condiţionarea semnalelor în instrumentele analogice este, de obicei realizată prin integrarea de mai multe blocuri funcţionale, cum ar fi punți, amplificatoare, filtre, oscilatoare, modulatoare, circuite de offset, convertoare de nivel şi buffere.


1 2 2 tipuri de instrumente2

1.2.2 Tipuri de instrumente

Diagrama bloc a unui instrument analogic

O componentă esențială a instrumentelor analogice o reprezintă amplificatorul operațional.

Amplificatoarele operaționale:

sunt dispozitive integrate, care sunt fabricate din componente monolitice sau hibride

pot conţine sute de tranzistori, rezistenţeşicondensatori într-un singur cip

pot fi configurate ca amplificatoare inversoare sau neinversoare

prin adăugarea de componente externe adecvate pot efectua multe alte funcţii, cum ar fimultiplicatoare, sumatoare, limitatoare,integratoare, differențiale, filtre.


1 2 2 tipuri de instrumente3

1.2.2 Tipuri de instrumente

Diagrama bloc a unui microinstrument


1 2 2 tipuri de instrumente4

1.2.2 Tipuri de instrumente

  • Acest cip include

    • un set de senzori de interfață pentru tensiune, curent, şi capacitate;

    • un senzor de temperatură;

    • un convertor analog numeric de 10canalepe 12biți;

    • un microcontroller pe 8 biți cu un multiplicator hardware pe 16biți şi un acumulator pe 40 de biţi.

  • Acesta funcționează cu o sursă de alimentare 3 V, și 16 mA însarcină maximă și 850 μA în regimul de stand-by.

  • Comunicația digitală este facilitată de către porturile serial și paralel incluse .

  • Sistemul conţine:

    • două unități paralele de intrare / ieșire (PIO),

    • un USART - universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter

  • Memorie de program constă dintr-un boot cu 512 Bde memorie ROM, 4 KB de memorieRAM pentru uz general și 512 B memorie RAM pentru stocarea datelor.

  • Mai exista un watchdog timer precum și timere multifuncționale de uz general.

  • Programarea microinstrumentului se face în C


1 2 2 tipuri de instrumente5

1.2.2 Tipuri de instrumente

  • Avantajele unui astfel microinstrument sunt ca circuitele digitale, în comparaţie cu cele analogice, sunt

    • mai ieftine;

    • mai fiabile;

    • mult maiflexibile.

  • Din moment ce hardware-ul digital permite efectuarea de operaţii programabile, este posibil de a modifica funcţiile unui instrument prin intermediul software-ului său. Astfelhardware-ul digital şi software-ul său asociat, asigură o flexibilitate mai mare în sistemul de proiectare, comparativ cu un sistem echivalent analogic.

  • Cu toate acestea, e mentionat că un dezavantajal instrumentelor digitale este faptul că unele semnale cu lățime de bandă extrem de largă,pentru care este nevoie de procesare în timp real, necesită cantităţi mari de memorie şi programe sofisticate.

  • Pentru astfel de semnale, prelucrarea analogică poate fi o soluţie.


1 3 instrumentul digital hardware i software

1.3.Instrumentul digital: hardware și software

  • Semnalele provenite de la senzori sunt de obicei în formă analogică, drept pentru care instrumentele digitale tradiționale se compun din două părți distincte:

    • componenta analogică

    • componenta digitală

  • În secțiunea analogică, semnalele sunt procesate în formă analogicăși convertite în format numeric înainte de a se trece la etapa următoare a sistemului pentru o prelucrare ulterioară.

  • În procesul de conversie sunt utilizate multiplexoare, circuite sample-and-Hold (S / H) și convertoare analog-numerice.

  • În ultimii ani, instrumentele digitale au fost fabricatesub formă de microinstrumente sofisticate.

  • Diagrama bloc a unui instrument digital


1 3 instrumentul digital hardware i software1

1.3.Instrumentul digital: hardware și software

  • Un instrument digital tipic digitală din cinci subsisteme principale:

    • partea frontală analogică pentru generarea semnalului şi de condiţionare;

    • partea hardware programabilă numeric de uz general;

    • componente de memorare și comunicare;

    • componente specifice aplicației de intrare-specifice / ieşire (I / O);

    • componente auxiliare , cum ar fi display-ul şi surse de alimentare.

  • În toate instrumentele digitale sau semidigitale, semnalele de la senzorsunt

    • amplificate sau atenuate;

    • filtrate prin circuitele de condiționare a semnalului analogic;

    • convertite la reprezentarea lor digitală de către un convertor A / D.

  • Semnale generate de către unii senzori pot fisuficient de ridicateca nivel de calitate pentru a fi conectate direct la un sistem digital, la fel ca în cazul diferitelor sisteme optice utilizate pentru detectarea mişcării și a rotaţiei.

  • Odată ce semnalele sunt convertite în forme digitale, datele pot fi prelucrate prin utilizeazarea de tehnici diferite, cum ar fi: analiza FFT, filtrarea digitală, luarea deciziilor secvenţiale sau logice, metode de corelare, analiza spectrului de frecvenţe, etc.


1 3 instrumentul digital hardware i software2

1.3.Instrumentul digital: hardware și software

Schema bloc a unui instrument portabil bazat pe microprocesor


1 3 1 componentele instrumentelor digital hardware

1.3.1Componentele instrumentelor digital: hardware

  • Componentele cheie ale instrumentelo digitale sunt:

    • circuitul sample-and-hold S/H

    • convertorul analog-numeric A/D

    • Acestea pot limita acuratețea și lățimea de bandă.

  • Alte componente sunt:

    • microprocesoarele și microcontrollerele;

    • unitățile de memorie;

    • dispozitivele de intrare-ieșire I/O;

    • convertoarele de semnal;

    • procesoarele numerice de semnal.


1 3 2 microprocesoare i microcontrollere

1.3.2.Microprocesoare și microcontrollere

  • Microprocesoarele si microcontrolere utilizate în instrumentele digitale şi în instrumentațietrebuie să îndeplinească următoarele funcţii de bază:

    • manipularea datelor, inclusiv achiziţia datelor, prelucrarea datelor, extragerea de informaţii, compresia datelor, interpretare, înregistrareşi stocare;

    • controlul instrumentului, inclusiv senzori, elemente de acţionare, resursele sistemului şi de control al altor dispozitive interne şi externe;

    • interfaţă om-maşină, care oferă un mod logic şi flexibil de interfaţă cu utilizatorul pentru control și afişare de informaţii;

    • dezvoltări procedurale, inclusiv tabele căutare, diagnosticare, calibrare, etc.

    • comunicare, inclusiv tehnicile fără fir.

  • Microprocesoarele sunt circuite integrate care procesează datele în formă binară.

  • Microcontrollerele sunt microprocesoare speciale care au încorporate în aceeași capsulă o memorie și circuite de interfațare. Ele sunt dispozitive monochip care au memorie pentru stocarea informațiilor și sunt capabile să controleze funcții de citire/scriere și de manipulare a datelor.


1 3 2 microprocesoare i microcontrollere1

1.3.2.Microprocesoare și microcontrollere

Diagrama bloc a unui microcontroller.


1 3 3 intr ri i ie iri

1.3.3.Intrări și ieșiri

  • Comunicațiile sunt realizate prin intermediul porturilor de intrare-ieșire:

    • Universal asynchronous receiver transmitter (UART)—comunicație serială asincronă

    • Universal synchronous/asynchronous receiver transmitter (USART)—comunicație serială asincronă sau sincronă

    • Synchronous serial port— port serial sincron: nu necesita bit de start/stop și poate opera frecvențe de ceas mult mai ridicate decât porturile seriale asincrone. Sunt utilizate pentru comunicații rapide.

    • Serial peripheral interface (SPI)—o altă versiune de port serial sincron

    • I2C bus—o interfață serială simplă dezvoltată de Philips. Pot fi conectate până la 128 de dispozitive pe o distanță de 10 m.

    • Controller area network (CAN) – schemă de conectare multiplexată, dezvoltată de Bosch împreună cu Intel.

  • Instrumentele fără fir pot transmite datele achiziţionate către o stație de bază dedicată sau pot să comunice între ele, formând rețele locale reţele. Semnalele care se doresc a fi achiziționate de către senzori si traductoare suntcodate în semnale potrivite pentru transmiterea fără fir, prin intermediul transceiver-elor. Pepartea de receptie, semnalele sunt apoi demodulate şi semnalele utile sunt extrase prin metode adecvate.

  • În multe aplicaţii, multe semnale diferite sunt multiplexate şi trimise pe aceeași cale.

  • Calea de transmisie poate fi realizatăpe frecvenţe foarte înalte (VHF), unde radio, microunde, laser infraroşu,, etc.


1 3 4 conversia semnalului

1.3.4. Conversia semnalului

  • În majoritatea instrumentelor, semnalele analogice generate de senzori şitraductoare trebuie să fie condiţionate în format analogic înainte ca acestea sunt convertite în semnale digitale. Condiționarea analogică de semnal are două obiective principale:

    • (1) amplificarea semnalelor mici sau atenuarea celor mari;(2) filtrareapentru eliminarea frecvenţelor nedorite de către circuite corespunzătoare.

  • Conversia analog-numerică implică patru etape distincte:

    • multiplexare;

    • prelevare de probe (sampling);

    • conversie;

    • cuantificare şi codificare.

  • Multiplexarea este necesară în cazul în care există mai mult de un semnal la intrarea convertorului analog-numeric.

  • În timpul procesului de conversie, sunt utilizate trei tipuri principale de circuite:

    • multiplexoare;

    • circuite sample-and-hold S / H;

    • convertoare analog numerice A / D.


1 3 4 conversia semnalului1

1.3.4. Conversia semnalului

Funcționarea unui circuit multiplexor

Structura de bază a unui circuit de eșantionare-memorare


1 3 5 procesarea numeric a semnalului

1.3.5. Procesarea numerică a semnalului

Semnalele digitale sunt matrice de numere care sunt utilizate în analiza computaţională a sistemelor şi a semnalelor.

În timp ce semnalele analogice sunt continue în timp şi amplitudine, semnalele analogice eşantionate sunt discrete în timp şi continue în amplitudine.

Semnalele digitale sunt discrete, atât în timp cât şi în amplitudine.

Semnalele digitale pot fi generate de software sau derivate direct din semnale analogiceutilizând convertoare A / D.

Matematic, semnalele sunt reprezentate ca funcţii de una sau mai multe variabile independente.

Transformata Fourier şi seriile Fourier sunt două metode comune care pot fi folosite în analiza semnalelor; atât în domeniul analogic sau digital.


1 4 5 senzori inteligen i

1.4.5. Senzori inteligenți

Diagrama bloc a unui senzor inteligent

În exemplul din figură, senzorul este controlat de microprocesor.

O varietate mare de senzori inteligenți, de asemenea, suntfabricate având la bază principiul reţelelor neuronale şi a altor tehnici inteligente programatepe cip.

Aceşti senzori sunt capabili de a asimila mari cantităţi de date şi sunt capabilide a lua decizii și de a acționa autonom şi adecvat pentru atingerea obiectivelor în orice mediu supus schimbărilor dinamice. Ei sunt adaptabili în anticiparea evenimentelor şi a complexitatățilordinproces, prin urmare, sesizarea, învăţarea, şi auto-configurarea sunt elemente-cheie ale acestora.


1 4 5 senzori inteligen i1

1.4.5. Senzori inteligenți

Diagrama bloc a unui chip multisenzor inteligent


1 5 instrumentul comunicarea cu senzorul i re ele

1.5. Instrumentul, comunicarea cu senzorul și rețele

Cu progresele înregistrate în domeniul tehnologiei de comunicare, instrumente pot fi uşor legate în reţea.

Multe procese necesită măsurători de sute sau poate de mii de parametri care utilizează numeroase instrumente. Aranjamentul care rezultă pentru efectuarea de măsurători de ansamblu într-un proces complex se numeste sistem de măsurare. În cadrul sistemelor de măsurare, instrumenteleacționează în mod autonom, dar într-o manieră coordonată.

Informaţiile generate de fiecare instrument pot fi transmisecătre alte instrumente sau controllere de rețea şi alte dispozitive digitale, cum ar fi recordere, unităţi de afişare, imprimante, routere, staţii de bază, sau un calculator gazdă.

În cazul sistemelor de măsurare complexe, instrumentele digitale își găsesc aplicaţii mai largi din două motive principale:

pentru capacităţile lor de legare în reţea prin metode de comunicare la distanță, cum ar fi RF, microunde, internet,şi tehnici optice;

din cauzacapacitatății de memorare inclusă pentru manipularea și stocarea datelor.

Transmiterea de date între dispozitivele digitale se realizează relativ uşor utilizând tehnici de transmisie cu fir sau fără fir.


1 5 1 comunica ia n instrumentele f r fir

1.5.1. Comunicația în instrumentele fără fir

Cunoștințe necesare în proiectarea sistemelor cu radio-frecvență


1 5 2 modularea i codarea semnalelor de la instrumente

1.5.2. Modularea și codarea semnalelor de la instrumente

În scopul comunicării, semnale analogice generate de instrumente trebuie să fie convertite în semnale digitale, fie prin codarea formei de undă, codarea sursei, sau o combinaţie a celor două.

Codarea formei de undă presupune conversia amplitudinii formei de undă în echivalente binare pentru a fi modulată corespunzător transmsiei, utilizând o tehnică de modulare corespunzătoare.

Codificarea sursei pur și simplu modelează și eșantionează anumite caracteristici ale formei de undă.

Receptorul re-creează forma de undă inițială din semnalele primite prin transmisie.

Selectarea unui cod special de transmisie pentru o aplicaţie este un compromis între lăţimea de bandă disponibilăde RF şi calitatea dorită.

Codificareaformei de undă se face prin prelevarea de probe din semnalele analogiceşi conversia lor în formă digitală, cu un convertor A / D. Operaţiunile de conversie A / D au fost prezentate. Cu toate acestea, în mod particular în transmisia RF,poate fi utilizată modularea codului de puls (pulse code modulation).


1 5 2 modularea i codarea semnalelor de la instrumente1

1.5.2. Modularea și codarea semnalelor de la instrumente

  • Modularea codului de puls translatează o bandă de bază de semnal analogic într-o bandă de bază de semnal digital.

  • Cel mai frecvent utilizate tehnici de modulare a codului de puls sunt:

    • modulație în durată de puls – pulse duration modulation (PDM)

    • modulație în poziție de puls – pulse position modulation (PPM)

    • modulație a codului de puls – pulse code modulation (PCM)

    • modulație în amplitudine de puls – pulse amplitude modulation (PAM)

    • modulație delta – deltamodulation (DM).


1 5 2 modularea i codarea semnalelor de la instrumente2

1.5.2. Modularea și codarea semnalelor de la instrumente

PDM = modulare în lungime puls (PLM) = modulare în lățime de puls(PWM)

informaţia despre amplitudinea semnalului analogic este reprezentată de duratasemnalului din eşantion. PPM = modulare de faza de puls (PPM)

pulsuri uniforme sunt deplasate proporțional cu amplitudinea semnalului original. Oferă sincronizare bună a emițător sireceptor. PCM

semnale analogice sunt modulate în PAM şi sunt apoi codificate în un cod binar şi transmis ca un flux de date digital.

PAM

din semnalul analogic se prelevează eșantioane pentru a obţine un puls a cărui amplitudineeste proporţională cu amplitudinea semnalului la momentulprelevării eșantionului. Acesta metoda este predispusă la zgomot şi poate fi ineficientă pentru transmitere. DM

transmite schimbări în amplitudinile ale eșantioanelor consecutive. Se transmite un "1" pentru o amplitudine curentă mai mare decât cea precedentă şi "0" pentru o amplitudine mai mică decât cea precedentă. Pentru acurateţe, dimensiunea pasului de eșantionare (numit și delta) este important pentru o reprezentare reală a semnalului analogic prin modulatorul delta. În cazul în care dimensiunea pasului este prea mică, aceasta conduce la suprapunerea pașilor, în cazul în care aceasta este mare, conduce la erori de cuantizare, iar în cazul în care este prea mare, conduce la zgomot granular.


1 5 2 modularea i codarea semnalelor de la instrumente3

1.5.2. Modularea și codarea semnalelor de la instrumente

S


1 5 3 exemple de sisteme de comunica ie f r fir

1.5.3. Exemple de sisteme de comunicație fără fir

Telefoanele celulare sunt un bun exemplu al unei tehnologii de comunicaţie RF bine stabilită.

Sisteme celulare sunt importante în domeniul instrumentației fără fir din două motive:

există sisteme de măsurare şi operaţionale care utilizează reţelele celulare

tehnologie celulară conduce direct către sistemele de instrumentatie.

Prin urmare, cunoştinţele şi experienţa acumulate în tehnologia celulară pot fi utilizate însistemele de instrumentatie.

Sute de telefoane celulare pot funcţiona în acelaşi timp, datorită tehnicilor de multiplexare.

Există trei comune tipuri de metode de multiplexare:

- Acces multiplu prin diviziunea frecventei - Frequency division multiple access (FDMA); - Acces multiplu prin diviziunea timpului - Time division multiple access (TDMA) ; - Acces multiplu prin diviziunea codului - Code division multiple access (CDMA).


1 5 3 exemple de sisteme de comunica ie f r fir1

1.5.3. Exemple de sisteme de comunicație fără fir

FDMAsepara spectrul sonor în canale de voce, împarțindu-l în bucăți uniforme de lățime de bandă.

Pentru a înțelege mai bine tehnologia FDMA, gândiți-vă la posturile de radio: fiecare post de radio emite semnalul său la o frecvență diferităîn cadrul benzii disponibile. FDMA este utilizată mai ales pentru transmisia analogică. Deși este capabilă să transmită informație digitală, se consideră că FDMA-ul nu este o metodă eficientă pentru transmisiunea digitală.

Folosind TDMA-ul, o banda ingusta, care are o latime de 30 MHz si o lungime de 6.7 milisecunde este impartita din punct de vedere temporal in trei perioade temporale.Banda ingusta inseamna \”canale\” in sensul traditional. Fiecare conversatie ocupa undele radio pentru o treime din timp. Acest lucru este posibil deoarece datele vocale, care au fost convertite in informatie digitala, sunt comprimate astfel ca sa ocupe mult mai putin spatiu de transmisie. De aceea, TDMA-ul are de trei ori mai multa capacitate decat un sistem analogic care utilizeaza acelasi numar de canale.

Sistemele TDMA opereaza fie in banda de frecventa de 800 de MHz, fie in cea de 1900 MHz.


1 5 3 exemple de sisteme de comunica ie f r fir2

1.5.3. Exemple de sisteme de comunicație fără fir

CDMA-ul, dupa ce digitalizeaza datele, le distribuie pe intreaga latime de banda disponibila.

CDMA-ul este o forma de spectru de anvergura, ceea ce inseamna pur si simplu ca datele sunt trimise in bucatele pe anumite frecvente disponibile pentru a fi utilizate oricand in raza de actiune specificata. Apeluri multiple sunt suprapuse pe canal, fiecare dintre apeluri primind un cod secvential unic.Toti utilizatorii transmit in aceeasi portiune de banda larga a spectrului sonor. Semnalul sonor al fiecarui uitilizator, este raspandit pe intreaga latime de banda de catre un cod unic de raspandire. In receptor, acelasi cod unic este utilizat pentru a primi semnalul. Deoarece sistemele CDMA trebuie sa stabileasca corect timpul fiecarei bucati de semnal, apeleaza la sistemul GSM pentru a obtine aceasta informatie. Intre opt si 10 apeluri telefonice separate pot fi efectuate ocupand acelasi spatiu de canal ca si un singur apel analogic.

Tehnologia opereaza atat in banda de frecventa de 800 de MHz, cat si in cea de 1900 de MHz.


1 6 sisteme industriale de instrumenta ie

1.6. Sisteme industriale de instrumentație

Rețelele de instrumentație și controlul acestora sunt denumite generic fieldbus.

Rețeele Fieldbus sunt sisteme de comunicaţii industriale care sunt configurate şi susţinute de o singură companie sau grupuri de societăţiprivate sau agenţii guvernamentale.

Exemple: P-NET, INSTA(EIB), Modbus, Bitbus, Arcnet, Highway Addressable Remote Transducer(HART).

Rețelele Fieldbus permit interconectarea dispozitivelor între ele sau de la computere sau alte dispozitive digitale.

Fieldbus reprezintă astfel integrarea dispozitivelor industriale analogice si digitale în scop de control ăi schimb de informații. În acest sens, fieldbus-ula contribuit la reducerea decalajului dintre cele două prin mijloace hardware şi software.


1 6 sisteme industriale de instrumenta ie1

1.6. Sisteme industriale de instrumentație


1 6 1 re ele industriale de comunica ie

1.6.1. Rețele industriale de comunicație

  • Rețelele Fieldbus interconectează dispozitive după cum se prezintă în figură:

  • Componentele care se intreconectează în cadrul unei rețele Fieldbus pot fi grupate în 3 categorii:

    • dispozitive de intrare/ieșire tradiționale analogice și discrete (4-20mA);

    • dispozitive hibride analogice și digitale (analog + digital);

    • dispozitive pur digitale (interfețe digitale: RS-232, USB, etc.).


1 6 1 re ele industriale de comunica ie1

1.6.1. Rețele industriale de comunicație

  • Aceste magistrale au în general următoarele caracteristici principale:

  • pot fi simple, necesitând doar două linii de comunicație (linia de clock și linia de date);

  • necesită un minim de componente electronice pentru o operare completă;

  • transmisia poate fi încheiată fie de master fie de slave.

  • Multe instrumente și senzori inteligenți utilizează pentru comunicație tehnici wireless cu protocoale și standarde cum ar fi: Bluetooth, UWB (ultra wide band) radio frequency, 802.11a/b/g, GPRS (general packet radio service), ZigBee, 802.15.4, IEEE 1451.5.

  • Comunicațiile RF pot fi realizate cu metode standardizate sau nestandardizate.


1 6 2 elemente de baz ale re elelor industriale de senzori

1.6.2. Elemente de bază ale rețelelor industriale de senzori

Microprocesoarele, microcontrolerele și procesoarele numerice de semnal sunt elemente esenţiale pentru interconectarea la rețele fieldbus.


1 6 3 protocoale pentru re ele industriale

1.6.3. Protocoale pentru rețele industriale

S


1 6 4 ethernetul i re elele fieldbus

1.6.4. Ethernetul și rețelele fieldbus

S


1 6 5 implementarea magistralelor fieldbus

1.6.5. Implementarea magistralelor fieldbus

S


1 6 6 proiectarea i exemple de aplica ii ale magistralelor fieldbus

1.6.6. Proiectarea și exemple de aplicații ale magistralelor fieldbus

S


1 6 7 telemetrie i sisteme scada

1.6.7. Telemetrie și sisteme SCADA

S


1 7 zgomote i distorsiuni

1.7. Zgomote și distorsiuni

S


1 7 1 zgomotul intern n sistemele electronice

1.7.1. Zgomotul intern în sistemele electronice

S


ad