Tài liệu DAQ Chương Chương TỔNG QUAN VỀ DAQ (DATA ACQUISITION AND CONTROL) Định nghĩa khái niệm Thu thập liệu (data acquisition) trình chuyển tín hiệu vật lý từ giới thực thành tín hiệu điện để đo lường chuyển sang tín hiệu số cho q trình xử lý, phân tích lưu trữ máy tính Trong hầu hết ứng dụng, hệ thu thập liệu (Data Acquisition (DAQ) System) thiết kế để thu thập liệu mà chức điều khiển Vì nói hệ DAQ thường hàm ý chức điều khiển (Data Acquisition and Control) Hình 1.1 – Các thành phần hệ DAQ Trang GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương 1.1 Bộ chuyển đổi (transducer) cảm biến (sensor) Bộ chuyển đổi cảm biến thực thay đổi tín hiệu vật lý thành tín hiệu điện để phần cứng xử lý Bộ chuyển đổi chuyển hầu hết đại lượng cần đo sang tín hiệu điện như: cặp nhiệt điện, nhiệt kế điện trở (RTD – Resistive Temperature Detector), nhiệt trở, … 1.2 Dây nối cáp truyền thông Dây nối: liên kết ngõ chuyển đổi/cảm biến đến phần cứng khối xử lý tín hiệu từ khối xử lý tín hiệu đến PC khối xử lý tín hiệu cách xa PC Trường hợp phần cứng khối xử lý tín hiệu cách xa PC chuẩn truyền tín hiệu RS-232 RS-485 : cáp truyền thông Đây thường thành phần cồng kềnh hệ thống dễ chịu tác động nhiễu bên ngồi, đặc biệt mơi trường cơng nghiệp khắc nghiệt Vì cần quan tâm đặc biệt đến vấn đề chống nhiễu cho dây nối cáp truyền thông để giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu 1.3 Xử lý tín hiệu (Data conditioning) Tín hiệu điện đầu cảm biến cần chuyển sang dạng thích hợp, tương thích với phần cứng khối thu thập liệu, đặc biệt chuyển đổi A/D Các nhiệm vụ thành phần là: - Lọc: thường lọc thông thấp để loại thành phần tần số nhiễu - Khuếch đại: dùng để tăng độ phân giải cho hệ thống - Tuyến tính hóa: dùng để hiệu chỉnh cho chuyển đổi phi tuyến cặp nhiệt điện - Cách ly: dùng để cách ly với máy tính nhằm bảo vệ máy tính trước thành phần điện áp cao - Kích thích: dùng cho chuyển đổi cần dòng hay áp kích thích ngồi cảm biến điện trở, nhiệt trở, … 1.4 Phần cứng thu thập liệu Thực chức sau: - Chuyển tín hiệu dạng tương tự sang dạng số để hiển thị, lưu trữ phân tích - Đọc vào tín hiệu số chứa đựng thơng tin q trình hệ thống - Chuyển tín hiệu số từ PC sang tín hiệu điều khiển để điều khiển hệ thống hay trình - Xuất tín hiệu điều khiển dạng số Phần cứng thu thập liệu tồn nhiều hình thức khác từ nhiều nhà sản xuất, là: card giao tiếp mở rộng (plug-in expansion bus boards), intelligent stand-alone loggers and controllers (loại định cấu hình, quan sát điều khiển từ máy tính qua RS-232 hoạt động độc lập), Trang GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương thiết bi độc lập từ xa điều khiển định cấu hình từ máy tính qua chuẩn giao tiếp IEEE-488 1.5 Phần mềm thu thập liệu Có lựa chọn: - Đọc xuất liệu trực tiếp dùng tác động lên ghi phần cứng thu thập liệu - Dùng driver kèm với phần cứng cung cấp nhà sản xuất để phát triển phần mềm - Dùng gói phần mềm ứng dụng cung cấp kèm với phần cứng thu thập liệu để thực tất nhiệm vụ yêu cầu cho ứng dụng cụ thể 1.6 Máy chủ Dùng thực thi chương trình phần mềm lưu trữ liệu, có ảnh hưởng lớn đến tốc độ hệ thống Cấu hình hệ DAQ Việc lựa chọn cấu hình cho hệ DAQ phụ thuộc vào: - Môi trường làm việc (phòng thí nghiệm, thu thập liệu khu vực sản xuất hay từ xa), - Số lượng cảm biến cấu chấp hành yêu cầu, vị trí chúng với máy chủ, hình thức xử lý tín hiệu yêu cầu, độ khắc nghiệt môi trường làm việc yếu tố quan trọng Các cấu hình thông dụng hệ DAQ: - Vào/ra chỗ (tập trung) với PC - Vào/ra phân tán - Các thu thập liệu điều khiển độc lập phân tán - Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488 2.1 Vào / tập trung (Plug-in I/O) Trang - Các mạch vào/ra tập trung cắm trực tiếp vào máy tính qua bus mở rộng - Đặc điểm: nhỏ gọn, tốc độ thu thập liệu điều khiển nhanh nhất, chi phí thấp thường dùng - Được sử dụng ứng dụng mà máy chủ gần cảm biến cấu chấp hành GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương Hình 1.2 – Một số ví dụ Plug-in I/O board 2.2 Vào / phân tán (Distributed I/O) Trong môi trường sản xuất công nghiệp, cảm biến cấu chấp hành thường xa máy chủ, môi trường khắc nghiệt bao phủ diện tích rộng, cách xa máy chủ hàng trăm mét Do đó, khó nhận tín hiệu nhỏ từ cảm biến cặp nhiệt, cảm biến điện trở (strain gauge) qua đường truyền dài đồng thời dây nối từ cảm biến máy chủ dài tốn Giải pháp: Trang - Module xử lý tín hiệu đặt gần cảm biến tương ứng cảm biến cần có module xử lý tín hiệu: vào/ra phân tán - Giải pháp tốn có nhiều cảm biến chất lượng tín hiệu độ xác cao - Dạng thường gặp vào/ra phân tán phát số Bộ phát số thực tất chức xử lý tín hiệu cần thiết, có vi điều khiển chuyển đổi tương tự - số (ADC) để chuyển tín hiệu cần đo sang dạng số Tín hiệu dạng số truyền máy chủ chuẩn RS-232 RS-485 - RS-232: khoảng cách truyền gần - RS-485: (multi-drop): giảm số lượng cáp truyền, kết nối đến 32 modules, khoảng cách truyền lên đến 10km dùng multi-drop network (RS-232: tối đa 15m) GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ - Chương Cần chuyển đổi từ RS-232 sang RS-485 hầu hết máy chủ không hỗ trợ chuẩn RS-485 Hình 1.3 – Vào / phân bố - module phát số 2.3 Bộ thu thập liệu độc lập hay phân tán Ưu điểm: giống ưu điểm I/O phân tán với xử lý tín hiệu thông minh, đồng thời khả tự định từ xa làm tăng độ tin cậy hệ thống, điều khiển định cấu hình từ máy tính dùng giao tiếp nối tiếp card PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) hoạt động độc lập mà không cần máy chủ (đây mục tiêu chính) Vì hữu ích phải đặt thu thập liệu xa môi trường khắc nghiệt ứng dụng không cho phép kết nối liên tục tới máy tính (ví dụ: điều khiển nhiệt độ xe tải đông lạnh) Trang GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương Hình 1.4 - Sử dụng card PCMCIA để nhập liệu từ điều khiển / đăng nhập độc lập Hình 1.5 - Sơ đồ thu thập liệu độc lập qua giao tiếp nối tiếp RS-232 Trang GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương Hình 1.6 - Kết nối thu thập liệu độc lập qua mạng điện thoại hay radio Hình 1.7 - Hệ thu thập liệu phân tán Trang GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương 2.4 Các thiết bị lập trình IEEE-488 - Chuẩn truyền thơng gọi GPIB (General Purpose Interface Bus), thành lập năm 1965 Hewlett-Packard để kết nối điều khiển thiết bị đo thử lập trình hãng Chuẩn nhanh chóng giới chấp nhận trở thành chuẩn IEEE-488 nhờ tốc độ, tính linh hoạt hữu ích việc kết nối thiết bị phòng thí nghiệm - GPIB chuẩn giao tiếp truyền thông song song tốc độ cao cho phép kết nối đồng thời 15 thiết bị bus truyền liệu song song Thường yêu cầu có điều khiển GPIB để định địa cho thiết bị khởi tạo thiết bị truyền thông với - Tốc độ truyền thông tối đa, chiều dài cáp truyền tối đa, khoảng cách tối đa thiết bị phụ thuộc vào tốc độ khả xử lý điều khiển GPIB loại cáp truyền - Phù hợp cho phòng thí nghiệm nghiên cứu đo thử cơng nghiệp - Có hàng ngàn sản phẩm thị trường hỗ trợ chuẩn giao tiếp Hình 1.8 - Cấu trúc hệ GPIB thông dụng Trang GV: Phạm Hùng Kim Khánh ... trình phần mềm lưu trữ liệu, có ảnh hưởng lớn đến tốc độ hệ thống Cấu hình hệ DAQ Việc lựa chọn cấu hình cho hệ DAQ phụ thuộc vào: - Mơi trường làm việc (phòng thí nghiệm, thu thập liệu khu vực... Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương Hình 1.6 - Kết nối thu thập liệu độc lập qua mạng điện thoại hay radio Hình 1.7 - Hệ thu thập liệu phân tán Trang GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương 2.4 Các...Tài liệu DAQ Chương 1.1 Bộ chuyển đổi (transducer) cảm biến (sensor) Bộ chuyển đổi cảm biến thực thay đổi