Capítulo 8

1. Capítulo 8 Data Acquisition

2. Componentes de um Sistema de Aquisição de Dados O foco deste capítulo é demonstrar como o LabView pode se relacionar com o meio externo. Essas interações, ou troca de dados, ocorrem entre o software e os mais diversos equipamentos, que veremos posteriormente. Os dados podem ser transmitidos e recebido de duas formas distintas, através do mundo analógico ou do digital, por sinais de entrada ou saída ( InPut ou OutPut ). Para tanto é utilizada uma placa DAQ, que pode ser ligada diretamente em um slot do PC, ou se comunicar com ele através da porta paralela e, se necessário um Condicionador de Sinais, que filtra, amplifica ou padroniza os dados.

3. Sistema Sistema DAQ Condicionador de Sinais VI’s Sinal de Entrada Sinal de Saída Tipos de Sinais A fim de se monitorar um meio, são necessários sensores. Sensores são capazes de converter um estado do ambiente em uma grandeza numérica, que possa ser comparada e utilizada por uma pessoa ou o computador.

4. On - Off Sinais Digitais Trem de Pulsos DC Domínio Tempo Sinais Analógicos Domínio Frequência A fim de se discutir sobre Aquisição de Dados, serão adotados as seguintes classificações de sinais:

5. Esses sinais envolvem dois meios de amostragem, a contínua e a discreta, ambas em relação ao tempo. • Na amostragem contínua, como o próprio nome insinua, os valores são medidos sem que haja intervalos, ou seja, em qualquer dado tempo, sempre haverá um valor no sensor. • Na amostragem discreta os valores são medidos a uma certa freqüência, assim o valor somente estará disponível para processamento a cada um segundo, por exemplo. Isto é chamado de taxa de amostragem. • Alguns exemplos de amostragem contínua são : • A temperatura de um Forno • As rotações por minuto de um Eixo • A velocidade de um Carro

6. Informação • Estado • Nível • Taxa • Forma • Conteúdo de Frequência Sistema Sistema DAQ Condicionador de Sinais VI’s Sinal de Entrada Sinal de Saída • Alguns exemplos de amostragem discreta são: • As músicas de um CD • O valor de um Bit • Os cinco tipos de sinais listados abaixo são classificados como analógicos ou digitais pela forma como convertem a informação.

7. A seguir um diagrama com os cinco tipos básicos de sinais, em paralelo com os tipos básicos de informações. Ele ilustra a particularidade de cada um na demonstração dos dados. On - Off Linha TTL estado Analógico Trem de Pulsos Contador taxa Sinais DC ADC/DAC (lento) nível Domínio Tempo Digital ADC/DAC(rápido) forma Domínio Freqüência Ruído Conteúdo de freqüência

8. Sistema Sinal de Entrada Sinal de Saída Dispositivo de Entrada Digital Estado da Chave Chave TTL Sinais Digitais • Os dois tipos de sinais digitais que serão considerados aqui são o On - Off e o Trem de Pulsos. • O sinal On - Off da figura abaixo provê a informação a respeito do estado digital do sinal. Um simples detetor de sinais digitais é usado para se medir este tipo de sinal. Um exemplo de sinal On - Off digital é a saída de uma lógica de chave transistor - transistor (TTL)

9. Sistema Sinal de Entrada Sinal de Saída Contador, Timer, Detetor de Transição Velocidade e posição Série de Pulsos • O segundo tipo é o Trem de Pulsos, ilustrado na figura abaixo. Este sinal consiste em uma série de transições de estados, e a informação está contida no número dessas transições, a taxa na qual elas ocorrem, e o intervalo entre um ou mais estados de transições. • O sinal provido por um codificador óptico, em um mouse, é um exemplo deste caso, pois, através de vãos em um disco, gera pulsos que determinam o quanto e em que direção o mouse está se movimentando.

10. Sinais DC Analógicos Sinais DC analógicos são sinais estáticos (ou de variação muito lenta) que carregam informações no nível ( ou amplitude ) do sinal em um dado instante. Um exemplo deste sinal é demonstrado a seguir. Sistema Sinal de Entrada Sinal de Saída Placa DAQ de baixa velocidade Termopar Nível da Temperatura Já que este tipo de sinal possui uma variação muito lenta, ou nula, a precisão do nível medido é mais importante que a taxa em que esta informação é adquirida. Alguns exemplos deste caso são a tensão de bateria, pressão, nível de um fluido ,etc.

11. O sistema DAQ irá retornar um único valor, que representará a magnitude em um certo tempo. Para que esta informação esteja precisa, o sistema DAQ deve possuir a precisão e capacidade de resolução adequadas, além de uma baixa taxa de amostragem ( padrão ).

12. Sinais Analógicos no Domínio Tempo Esses sinais diferem dos outros sinais porque possibilita que se tenha acesso ao nível do sinal e a forma que este nível varia com o tempo. A informação associada a um sinal do Domínio Tempo inclui informações como o tempo do pico, sua magnitude, tempo de vale, borda de subida, e as formas que toma. Sistema Sinal de Entrada Sinal de Saída Placa DAQ de alta velocidade Intervalos entre picos Monitor Cardíaco

13. Deve-se obter de forma precisa, no tempo, as sequências de picos individuais, a fim de se compor a forma do sinal como um todo. As placas DAQ utilizadas nestes casos geralmente tem um Conversor Analógico para Digital, um relógio, e um gatilho. O sinal deve ser amostrado e medido de forma correta, pois caso contrário, a onda recuperado, na forma digital, pode não corresponder à original.

14. Sinais Analógicos no Domínio Frequência Sinais Analógicos no Domínio Freqüência são similares aos do Domínio Tempo na forma que também carregam informação enquanto há variação no tempo. Porém a informação extraída deste sinal é baseada com conteúdo de freqüência do sinal. Sistema Sinal de Saída Sinal de Entrada Placa A/D + Placa DSP ou AD Portadora & Modulação Sinal RF

15. Tal como em sistemas DAQ que medem sinais no Domínio Tempo, um sistema utilizado em um sinal do Domínio Freqüência deve incluir um ADC, um relógio de amostragem e um gatilho para capturar adequadamente a forma de onda. Adicionalmente, o sistema deve ser capaz de separar as freqüências de um sinal. Esse tipo de processamento é realizado por hardwares ou softwares especializados em DSP ( Digital Signal Processing , ou Processamento de Sinais Digitais ) para analizar o sinal de forma eficiente e rápida.

16. Rapidamente, um sistema DAQ utilizado nesse processo deve possuir um alto Comprimento de Banda na amostragem ADC para se amostrar os sinais a taxas elevadas, e um relógio preciso, para se garantir intervalos o mais regulares possíveis. Também se é comum o uso de gatilhos para se iniciar o processo de medição em um tempo preciso. Finalmente, um sistema DAQ completo deve prover uma completa biblioteca de funções de análise, incluindo uma função para converter informações do domínio tempo para o domínio freqüência.

17. Um Sinal - Cinco Perspectivas de Medição As cinco classificações de um sinal, discutidas anteriormente não são exclusivas entre sí. Um tipo de sinal pode carregar mais de um tipo de informação, e pode ser classificado em mais de um tipo e medi-lo de mais de uma forma. De fato, pode-se usar medições mais simples com os sinais digitais On -Off, Trem de Pulsos e DC porque eles são os casos mais simples dos sinais analógicos do domínio tempo. A técnica de medição a ser escolhida depende da informação que se deseja. Em vários casos pode-se medir um mesmo sinal com diversos sistemas diferentes, desde uma simples placa de entrada digital até um sofisticado sistema de análise de freqüência. A próxima figura demonstra as diversas possíveis medições de um mesmo sinal.

18. Trem de Pulso Digital On - Off Digital Domínio Freqüência Sinal DC Analógico Domínio Tempo Analógico

19. Transdutores Comuns e Condicionamento de Sinais Quando se mede um fenômeno físico, um transdutor deve converter este fenômeno ( como temperatura ou força ) em um sinal elétrico capaz de ser medido ( como tensão ou corrente ). Todos os transdutores geram um sinal elétrico que muitas vezes não estão aptos a serem ligados diretamente a um sistema DAQ. Por exemplo , a tensão de saída da maioria dos termopares é muito pequena e suscetível a ruídos e, por isso precisa ser amplificado e filtrado antes de ser medido. Ou mesmo um sinal pode receber diversas interferências do meio externo, embaralhando e modificando seu conteúdo; para corrigir isso utiliza-se os Condicionadores de Sinais

20. Fenômeno Transdutor Termopares Resistor Detetor de Temperatura Termistor Sensor em Circuito Integrado Fotosensor de tubo à Vácuo Células Fotocondutivas Microfone Transdutores Piezoelétricos Células de Força Straim Gauges Potenciômetros Codificador Óptico Medidor de Fluxo Ultrasônico Medidor de Fluxo Rotacional Eletrodos pH Temperatura Luz Som Força e Pressão Posição Fluxo de Fluido pH

21. Transdutor / Sinal Condicionamento do Sinal Amplificação, Linearização, e compensação de Junta Fria Termopares Excitação de Corrente, linearização e Conf 4 e 3 Fios RTD’s Configuração Ponte Excitador de Tensão Linearização Strain Gauges Amplificadores de Isolação ( Isolação Óptica ) Alta Tensão Alto Fluxo de Corrente Relês Eletromecânicos, e de estado sólido Sinais com ruído em HF Filtros Passa Baixa

22. Alguns tipos comuns de Condicionamento de Sinais: • Excitação do Transdutor : Certos transdutores requerem alimentação externa para excitar seus próprios circuitos, em um processo chamado de excitação do transdutor. O processo é similar ao de uma televisão, que precisa ser ligada para decodificar os sinais de áudio e vídeo. A excitação necessária em um sistema DAQ pode prover da placa DAQ, dos periféricos condicionadores de sinais e, às vezes, de instrumentos externos. • Linearizadores : Transdutores comuns ( como termopares ou termistores ) geram tensões que não são lineares, relacionadas com os fenômenos que representam. O Utilitário DAQ do LabVIEW é capaz de realizar esta lienarização

23. Isolação : Outro uso comum de condicionadores de sinais é para isolar os transdutores do computador. Se, por exemplo, o sinal que está sendo modificado lida com grandes tensões, essa isolação garante uma proteção ao computador e a pessoa. Não é aconselhável a ligação direta de sinais diretamente a uma placa DAQ, sem que haja isolação. Um tipo de isolação pode ser óptica. • Filtros : A filtragem de sinais indesejados permite um melhor aproveitamento da informação. Entre os tipos de filtros se encontram os Passa Baixa, Passa Alta e Passa Faixa. Algumas placas DAQ possuem filtros já implementados. • Amplificadores : É o tipo mais comum de condicionamento. Permite maximizar o uso da tensão disponível, gerando melhor precisão e menores relações Sinal Ruído (SNR).

24. É importante que o amplificador seja colocado perto da fonte do sinal, pois o aparelho não difere entre o sinal e o ruído, assim, caso esteja muito longe da fonte qualquer sinal indesejável que entre no sinal também será amplificado. Amplificação Perto da Placa Tensão do Sinal Ruído da Linhas Amplificação na Placa DAQ Tensão Digitalizada SNR Amplificado Apenas na DAQ X 100 1.1V 10 0.01V Nada 0.001V Amplificado PP e na DAQ 100 0.01V X 10 0.001V X 10 1.01V Amplificado apenas PP 1000 0.01V Nada 1.001V X 100 0.001V

25. DAQ VI Organization • O LabView possui um menu organizado em paletas. Na paleta de funções, existe o Data Acquisition. O DAQ VI é dividido em • Analog Input • Analog Output • Digital I/O • Counter • Calibration and Configuration • Signal Conditioning

26. Aqui daremos foco apenas a três dessas paletas, Analog Input, Analog Output e Digital I/O . • Cada paleta contém VI’s ou paletas de VI’s organizadas em Easy I/O, Intermediate, Utility e Advanced VI’s. • A VI Easy I/O é constituída de VI’s de alto nível, que suportam entradas e saídas analógicas básicas, e digital I/O . São ideais para quem está começando a lidar com DAQ. Ele também inclui um sistema simplificado de erro, assim, quando um erro DAQ ocorre na VI, um caixa de informação aparece, relatando o erro. Há a opção de abortar a VI ou de ignorar o erro. • Se comparado com a Easy I/O, a Intermediate VI’s possuem mais flexibilidade e funcionalidades de hardware. Ganham em pontos em que Easy I/O é precário, como gatilho e temporização externa.

27. Conforme se compreende mais sobre DAQ percebe-se que o Intermediate VI é a mais interessante para se trabalhar. Ela, também possui um tratamento de erro melhor do que a anterior, podendo passar informações de erros para outras VI’s e lidar com eles através de programação. • A VI Utility é constituída convenientes grupos da Intermediate VI. Será mais útil quando se precisa de mais controle que a Easy I/O pode fornecer • Advanced VI’s são as VI’s de mais baixo nível, são requeridas por algumas poucas aplicações. Aqui se tem o melhor controle e acesso de informações sobre a placa DAQ. • As paletas Analog Output e Digital I/O são semelhantes à Analog Input.

28. Analog Input • Há quatro classes de VI’s de Entradas Analógicas achadas na paleta Analog Input. • Easy Analog Input VI’s • Intermediate Analog Input VI’s • Analog Inpu Utility VI’s • Advanced Analog Input VI’s