Adquision de datos medir para conocer y controlar

Adquisición de datos: Medir para conocer y controlar Handbook de adquisición de datos Carlos Chicala Adquisición de datos: medir para conocer y controlar HANDBOOK PRIMERA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EDICIÓN Carlos Chicala Revisión técnica: M en I Naomi Berenice Romero Mata Profesora del Departamento de Control y Robótica Facultad de Ingenierớa Universidad Nacional Autúnoma de Mộxico đ $XVWUDOLDọ%UDVLOọ&RUHDọ(VSDDọ(VWDGRV8QLGRVọ-DSàQọ0ô[LFRọ5HLQR8QLGRọ6LQJDSXU đ Adquisiciún de datos: medir para conocer y controlar Handbook de adquisición de datos Primera edición &DUORV&KLFDOD Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: )HUQDQGR9DOHQ]XHOD0LJR\D Director Editorial, de Producción y de Plataformas Digitales para Latinoamérica: 5LFDUGR+5RGU¯JXH] Editora de Adquisiciones para Latinoamérica: &ODXGLD&*DUD\&DVWUR Gerente de Manufactura para Latinoamérica: 5D¼O'=HQGHMDV(VSHMHO Gerente Editorial de Contenidos en Espol: 3LODU+HUQ£QGH]6DQWDPDULQD Gerente de Proyectos Especiales: /XFLDQD5DEXĔHWWL k'5SRU&HQJDJH/HDUQLQJ(GLWRUHV6$GH &9XQD&RPSD³¯DGH&HQJDJH/HDUQLQJ,QF &RUSRUDWLYR6DQWD)H $Y6DQWD)HQ¼PSLVR &RO&UX]0DQFD6DQWD)H &30ô[LFR') &HQJDJH/HDUQLQJđHVXQDPDUFDUHJLVWUDGD XVDGDEDMRSHUPLVR '(5(&+265(6(59$'261LQJXQDSDUWHGH HVWHWUDEDMRDPSDUDGRSRUOD/H\)HGHUDOGHO 'HUHFKRGH$XWRUSRGUÊVHUUHSURGXFLGD WUDQVPLWLGDDOPDFHQDGDRXWLOL]DGDHQ FXDOTXLHUIRUPDRSRUFXDOTXLHUPHGLR\DVHD JUÊFRHOHFWUàQLFRRPHFÊQLFRLQFOX\HQGR SHURVLQOLPLWDUVHDORVLJXLHQWHIRWRFRSLDGR UHSURGXFFLµQHVFDQHRGLJLWDOL]DFLµQ JUDEDFLµQHQDXGLRGLVWULEXFLµQHQ,QWHUQHW GLVWULEXFLµQHQUHGHVGHLQIRUPDFLµQR DOPDFHQDPLHQWR\UHFRSLODFLµQHQVLVWHPDV GHLQIRUPDFLµQDH[FHSFLµQGHORSHUPLWLGR HQHO&DS¯WXOR,,,$UW¯FXORGHOD/H\)HGHUDO GHO'HUHFKRGH$XWRUVLQHOFRQVHQWLPLHQWR SRUHVFULWRGHOD(GLWRULDO 'DWRVSDUDFDWDORJDFLµQELEOLRJU£ĕFD &KLFDOD&DUORV Adquisición de datos: medir para conocer y controlar Handbook de adquisición de datos Primera edición Coordinador de Manufactura: 5DIDHO3«UH]*RQ]£OH] ISBN: 978-987-195-451-3 Editor: 6HUJLR5&HUYDQWHV*RQ]£OH] 9LVLWHQXHVWURVLWLRHQ KWWSODWLQRDPHULFDFHQJDJHFRP Diseño de portada: $QQHOL'DQLHOD7RUUHV$UUR\R Imagen de portada: 0RGHUQQHWZRUNVZLWFKZLWKFDEOHV k'DEDUWL&*,6KXWWHUVWRFN Composición tipográfica: (GLFLRQHV29$ Impreso en México 15 14 13 12 /RVQRPEUHVGHODVFRPSD³¯DVFLWDGDVHQHOSUHVHQWHOLEUR\VXVUHVSHFWLYRVSURGXFWRV\PDUFDVUHJLVWUDGDVVRQSURSLHGDG\ HVW£QUHJLVWUDGDVSRUVXVUHVSHFWLYRVGXH³RV %UDQGQDPHVDQGWUDGHPDUNVDUHWKHSURSHUWLHVDQGUHJLVWHUHGEUDQGVRIWKHLUUHVSHFWLYHRZQHUV A la memoria de mis padres Alberto y Perla A mi amada esposa Graciela A mis queridos hijos Pedro, José, Ana y Virginia Contenido Agradecimientos Prólogo XIII XV Presentaciones Parte I XVII Hardware INTRODUCCIĨN Capítulo Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos basados en computadora 1.1 Breve historia de la instrumentación 1.2 Instrumentación virtual 1.3 Componentes de un sistema de adquisición o toma de datos 1.4 Computadoras 1.5 Hardware de adquisición de datos y control Capítulo Comunicación entre el sistema de adquisición de datos y la computadora: buses y protocolos 15 2.1 Preliminares 15 2.2 Buses 2.3 Protocolos de comunicaciones 2.4 Repetidores o extensores y convertidores de estándares 24 15 18 NOCIONES BÁSICAS Capítulo Conceptos básicos: Acondicionadores de sal usando resistores 3.1 Preliminares 25 3.2 Ley de Ohm 25 3.3 Componentes pasivos 26 25 VI CONTENIDO Capítulo Conceptos básicos: Acondicionadores L, C y R: filtros 33 4.1 Preliminares 33 4.2 Capacitores 4.3 Inductores o bobinas 4.4 Filtros compuestos por más de una etapa 4.5 Filtro pasa banda RLC 4.6 Filtro rechaza banda o filtro supresor de banda RLC 4.7 Filtros activos 33 41 46 49 52 55 Capítulo Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 61 5.1 Nociones básicas de los amplificadores operacionales 5.2 Amplificador operacional básico 61 62 5.3 Tipos de amplificadores operacionales 62 5.4 Alimentación de potencia de los amplificadores operacionales 63 5.5 Ganancia de los amplificadores operacionales 5.6 Realimentación de los amplificadores operacionales 5.7 Impedancias de salida y de entrada de etapas construidas amplificadores operacionales 67 5.8 Relación de rechazo de modo común 5.9 Características de los amplificadores operacionales reales ACONDICIONAMIENTO 63 64 75 77 DE SAL Capítulo Acondicionadores de sales analógicas: teoría, cálculo y sistemas reales 81 6.1 Análisis trico y cálculos de algunos acondicionadores de sal 6.2 Filosofías de acondicionadores de sal reales del mercado 6.3 Aislación eléctrica de sales analógicas 6.4 Borneras y cables 99 100 Capítulo Acondicionadores de sales digitales: teoría, diso y sistemas reales 101 7.1 Interface circuitos digitales de entrada y salida 7.2 Interfaz interruptores o switches mecánicos 7.3 Rebote de contactos 103 101 103 93 81 CONTENIDO 7.4 Contactos secos 104 7.5 Sales digitales de variación lenta o de baja pendiente de cambio 7.6 Tratamiento de señales digitales de niveles incompatibles entre sí 7.7 Sales digitales de entrada y salida de alta corriente o de alto voltaje 109 7.8 Optoaislación digital para señales de entrada y salida 7.9 Switches o interruptores digitales: generalidades 7.10 Elementos interruptores 7.11 Tipos de relevadores 7.12 104 108 109 110 111 113 Filosofías de los acondicionadores de señales digitales del mercado 116 7.13 Tarjetas de adquisición de datos el acondicionamiento de entradas y salidas digitales incorporadas en la misma tarjeta 118 7.14 Borneras y cables 118 Capítulo Acondicionamiento de sales industriales: sensores 8.1 Consideraciones generales 8.2 Usos de las mediciones industriales 8.3 Entorno de medición industrial 8.4 Sensores y transmisores: definición 8.5 Linealización de sensores 124 8.6 Clasificación de sensores 126 119 119 120 120 122 8.7 Teoría de transductores o sensores más usados 127 Capítulo Técnicas de reducción de ruido y aislación 135 9.1 Consideraciones generales 9.2 Fuentes de ruido 135 9.3 Técnicas para prevenir y evitar ruido eléctrico o para preservar la integridad de la señal de los sensores 139 9.4 Técnicas para eliminar el ruido presente en una señal adquirida 136 141 HARDWARE DE ADQUISICIĨN DE DATOS Capítulo 10 Multiplexado en los sistemas de adquisición de datos: muestreo y almacenamiento (sample and hold, S/H) 143 10.1 Diagrama de bloques de un sistema DAQ 10.2 Multiplexores 143 10.3 Principio de funcionamiento de los interruptores electrónicos 10.4 Conmutadores electrónicos 144 146 145 VII VIII CONTENIDO 10.5 Necesidad del muestreo y almacenamiento (sample and hold, S/HH) 148 10.6 Funcionamiento de un circuito de muestreo y almacenamiento (S/H) 151 10.7 Circuitos de muestreo y almacenamiento (S/H) componentes activos 152 10.8 Análisis de la frecuencia de un circuito multiplexor y circuito S/H 154 10.9 10.10 10.11 Muestreando múltiples canales 156 Ganancia seleccionable por canal: seleccionador de ganancia por software versus secuenciador de ganancia por hardware 160 Impedancia del sensor y acondicionador y su efecto sobre la velocidad de multiplexado 161 10.12 Influencia del tiempo de respuesta del amplificador de instrumentación y la velocidad de conmutación del multiplexor 162 10.13 Especificaciones técnicas de los amplificadores de muestreo y almacenamiento (S/H) 164 Capítulo 11 Convertidores digital a analógico y analógico a digital: principios de funcionamiento 165 11.1 Introducción 165 11.2 Teorema del muestreo 11.3 Cuantificación 11.4 Convertidores DACs (digital a analógico) 11.5 Salidas bipolares y unipolares de un convertidor digital a analógico: formatos de entrada y salida 175 11.6 Convertidores ADCs (analógico a digital) 166 166 168 176 Capítulo 12 Sales 189 12.1 Definición y clasificación de las sales 189 12.2 Sales digitales 12.3 Sales analógicas 12.4 Una sal, cinco perspectivas diferentes de medición 12.5 Interacción entre los sensores, los acondicionadores y el sistema DAQ 195 12.6 Señales referenciadas o no referenciadas a tierra y técnicas de medición 197 12.7 Sensores o fuentes de señal referenciadas a tierra 12.8 Sensores o fuentes de señal flotantes de tierra 12.9 Sistemas de medición entrada diferencial 190 191 195 197 198 198 12.10 Sistema de medición single-ended referenciado a tierra 12.11 Sistema de medición single-ended no referenciado 200 200 CONTENIDO 12.12 Conexión de fuentes de sal referenciadas a tierra 12.13 Conexión de fuentes de sal flotantes 201 202 Capítulo 13 Entradas analógicas de sistemas de adquisición de datos 205 13.1 Partes constitutivas y señales a ingresar en un sistema DAQ 13.2 Parámetros analógicos de entrada y salida 13.3 Consideraciones acerca de resolución, rango y ganancia 205 206 13.4 Velocidad de muestreo: alias de la señal adquirida 209 210 13.5 Prevención del problema de alias de sales en un sistema DAQ 13.6 Formas de adquisición a través de las entradas analógicas 212 213 13.7 Adquisición de datos continua o adquisición de datos buffer circular 216 13.8 Modos de inicio o disparo de la adquisición de datos: trigger 218 13.9 Archivar o guardar grandes volúmenes de datos a alta velocidad durante la adquisición 219 Capítulo 14 Salidas analógicas de sistemas de adquisición de datos 221 14.1 Salidas analógicas en los sistemas de adquisición de datos 14.2 Parámetros de salida analógica de los sistemas DAQ 221 14.3 Formas de salidas analógicas a través de un sistema DAQ 223 14.4 Adquisición y generación simultáneas de ondas analógicas: sincronismo de las mismas 228 Capítulo 15 Entradas y salidas digitales de sistemas de adquisición de datos 229 15.1 Entradas y salidas digitales en los sistemas DAQ 229 15.2 Agrupación de las funciones de entradas y salidas según su facilidad de uso 230 15.3 Líneas digitales: secuencia para lectura o escritura de líneas de entrada y salida digital usando funciones de fácil manejo (easy I/O) 230 15.4 Puertos digitales: secuencia para lectura y escritura de puertos digitales usando funciones avanzadas 232 15.5 Aplicación práctica de lectura de entradas digitales: lectura de un interruptor o switch de proceso 234 15.6 Aplicación práctica de escritura de salidas digitales: accionamiento o control de relevadores 235 15.7 Entradas y salidas digitales controladas o temporizadas: comunicaciones entre computadoras utilizando protocolos digitales especiales 235 221 IX 442 PARTE III CURSO DE LABVIEW Figura 28.7 La función “Sound output clear.vi” detiene las salidas analógicas y libera todos los recursos de la computadora que estaba usando la tarjeta de sonido Figura 28.8 Ubicación y descripción de la función “Simple error handler.vi” en la paleta de funciones Capítulo 28 Funciones de adquisición de datos: salidas analógicas Figura 28.9 Función “Sound output set volume.vi”, la cual controla el volumen de la tarjeta de sonido Funciones adicionales para salidas analógicas En la tercera fila del menú “Output” hay una serie de funciones que realizan las siguientes tareas: Función “Sound output wait.vi”: produce la espera hasta que finaliza la ejecución del sonido o el archivo de sonido por el altavoz de la tarjeta de sonido Función “Sound output info.vi: devuelve una variable booleana si la tarjeta de sonido está ejecutando algún sonido y también proporciona la información sobre el volumen de la reproducción Función “Play sound file.vi”: dada la dirección de un directorio un nombre de archivo de sonido, accede a él y lo ejecuta por el altavoz Función “Sound output set volumen.vi”: actúa sobre el volumen de la tarjeta de sonido Esta función la utilizaremos más adelante, por lo que la hemos puesto al final para mostrar también una imagen de la misma; acepta como entrada un valor de a 100, como si fueran porcentajes del total de volumen de sonido La figura 28.9 muestra una imagen de la mencionada función el “Help online” desplegado En los siguientes ejemplos veremos un programa de aplicación de las funciones mencionadas En el primero se genera una onda periódica (senoidal, cuadrada, triangular, etc.) cuya frecuencia variamos y le damos salida por el altavoz o salida de audio En el segundo aplicaremos lo visto en el capítulo anterior, ya que se adquirirá en forma continua sal del micrófono (entrada analógica), para finalmente reproducirlo por el altavoz (salida analógica), produciéndose por el proceso una demora o eco entre la señal de entrada y de salida, como si fuera una cámara de eco electrónico 443 444 PARTE III CURSO DE LABVIEW Figura 28.10 Panel frontal y diagrama de bloques de un programa que genera una onda periódica (senoidal, cuadrada, triangular, etc.), cuya frecuencia variamos, y tiene como salida el altavoz o salida de audio Ejercicio Generar una onda periódica (senoidal, cuadrada, etc.) de frecuencia variable y producir la salida por el altavoz o salida analógica de la tarjeta de sonido Este ejercicio se puede ejecutar de dos formas: la primera es más sencilla y donde no usamos las funciones “Sound output start.vi” y “Sound output stop.vi” Por simplicidad, lo haremos de esta forma; este ejemplo lo podemos observar en la figura 28.10, en donde se observa el panel frontal y el diagrama de bloques Observe que hemos usado las siguientes funciones: “Sound Output Configure.vi”, en la cual nos hemos situado sobre “numbers of samples/ch”, “sample mode”, “device id” y “sound format”; hemos ejecutado un popup sobre las mismas y elegido la opción “create” → “constant”; modificado alguna de ellas la herramienta para texto de la paleta de herramientas (tools palette), y finalmente obtenido las configuraciones o ajustes de esta función, los que se muestran en la figura 28.10 En el caso de la opción “sample mode”, por default está en “continuous samples” Recuerde que “device id”, dependiendo de su computadora puede ser “0” o “1”; si al ejecutar el ejercicio tiene un mensaje de error, cambie el “device id” A la función “Sound output write.vi” se cablea el “task id”, que es el número de tarea que identifica internamente la salida analógica generada en la función “Sound output configure.vi” Observe que “task id” aparece como resultado de invocar la función “Sound output configure” y a partir de ella cableamos al resto de las funciones, ya que esa tarea está definida por ese número de identificación en forma biunívoca y el “error in” y “error out” Colocamos “Sound output clear.vi” y le cableamos el “task id” y el “error in” y “error out” Capítulo 28 Funciones de adquisición de datos: salidas analógicas “Simple error handler”: esta función, como ya lo mencionamos, sirve para manejar los errores desde el programa En este caso dejamos la que está por default, pero si hubiéramos elegido “no dialog”, entonces cuando haya un error la ventana de Windows no se desplegará advirtiendo del mismo al usuario En ese caso tendríamos que programar las rutinas necesarias para manejar y corregir el error desde el programa; en cambio, al dejarla en “OK message”, cuando ocurra una condición de error, por ejemplo que no se cumpla el teorema del muestreo, en esas condiciones va a dar error; pruebe estas opciones más adelante Hemos colocado la función “Basic function generator.vi”, que se encuentra en la paleta de funciones → “Waveform” → “Analog waveform” → “Waveform generation” → “Basic function generator.vi” En la figura 28.11 se muestra la secuencia descrita Colocamos la función “Basic function generator.vi” sobre el diagrama de bloques y llevando a cabo un “pop-up” sobre la terminal “Frequency” elegimos la opción “create” → “control”; sobre el panel frontal se creará un control de tipo numérico, el cual ajustamos el valor 700 Hacemos además un “pop-up” sobre “signal type” y “sample info”, y en ambas elegimos “create” → “constant” para modificar dichas constantes a los valores indicados en el diagrama de bloques de la figura 28.10 A continuación, sobre el panel frontal creamos un indicador gráfico del tipo de gráfica de forma de onda (waveform graph) y cableamos la salida “signal out” de “Basic function generator.vi” al “waveform graph” y a la entrada “data” de la función “Sound output write.vi” Para finalizar, colocamos una estructura de tipo while loop que cubra las funciones indicadas en el diagrama de bloques de la figura 28.10, y ubicados sobre la variable de control del while loop hacemos un “pop-up” y elegimos la opción “create” → “control”, entonces tenemos nuestro control para detener la ejecución del lazo while loop Ejecutamos el programa anterior y escucharemos por los altavoces un sonido monocorde, además visualizaremos una gráfica que va de a 0.1 s ¿Cómo se interpretan estos valores de la gráfica? Observe que en la función “Basic function generator.vi” colocamos en el terminal Figura 28.11 Ubicación de la función “Basic function generator.vi” en la paleta de funciones 445 446 PARTE III CURSO DE LABVIEW “sampling info” los siguientes valores: “22050” y abajo “2205” El primer valor del cluster indica la frecuencia de muestreo (22 050 muestras/s), mientras que el segundo valor indica la cantidad de muestras (2205 muestras); si dividimos este último valor de 2205 muestras entre la frecuencia de muestreo de 22 050, obtenemos el siguiente resultado: Tiempo sobre eje X =    Número de muestras ( 2205) Frecuencia de muestreo (22 050 m/s) Tiempo sobre eje X = 2205 muestras/22 050 muestras/s = 0.1 s Que coincide lo que observamos en el panel frontal Ahora presionamos “Stop” y detenemos el programa para modificar al indicador gráfico Recuerde que la frecuencia que le indicamos a nuestro “Basic function generator” es de 700 Hz, si deseamos calcular el periodo de esta frecuencia senoidal obtenemos el recíproco de la frecuencia: Periodo = 1/Frecuencia = 1/700 = 0.001428 s Sobre la gráfica de onda vamos a hacer un “pop-up”; en el menú que se despliega quitamos la selección de “x scale” → “Autoscale x”, y luego procedemos a ubicarnos sobre el extremo más a la derecha del valor de X, para este caso es 0.1 s, y se cambia la herramienta de texto por el valor del periodo que habíamos calculado de 0.001428 s Ponemos el programa en ejecución y, por supuesto, veremos la gráfica de una sola onda, ya que la ventana la hemos fijado en un periodo de la onda (figura 28.12) Observe que en la función “Basic function generator.vi” la frecuencia de muestreo (22 050 muestras/s) es un múltiplo entero de la cantidad de muestras (2205 muestras) Si modifica la cantidad de muestras de forma que no sea un múltiplo de la frecuencia de muestreo podrá observar que la onda da la impresión de correrse, porque ya no es generada siempre en el mismo punto como cuando era múltiplo entero Figura 28.12 Ajuste del indicador “Waveform graph” para visualizar un solo periodo de la onda de 700 Hz Capítulo 28 Funciones de adquisición de datos: salidas analógicas Por otro lado, en la función “Basic function generator.vi” variamos la constante de tipo “signal type”, y en lugar de “sine wave” seleccionamos las otras como “triangle wave”, “square wave”, etc., y además de visualizar la onda escuchamos la diferencia en el sonido generado, debido a que aun cuando la frecuencia es la misma (700 Hz), el contenido de armónicos de uno y de otro tipo de onda son diferentes, lo que genera que el sonido sea distinto, además de su forma Al programa anterior lo modificaremos de tal manera que resulte una interfaz más controles para el usuario, intercalaremos la función “Sound output set volume.vi” y además colocaremos controles deslizantes lineal y rotatorio para frecuencia y volumen, respectivamente Esto se muestra en la figura 28.13 En seguida resumimos las modificaciones y cómo se han realizado: Se insertado antes de la función “Sound output write.vi” la función “Sound output set volume.vi” Hemos hecho un “pop-up” sobre “Sound output set volume.vi” en el terminal llamado “volume” y seleccionado “create” → “control”; aparece sobre el panel frontal el control llamado “volume” Situados sobre el control “volume” en el panel frontal, hicimos un “pop-up” y seleccionamos “replace” → “numeric” → “knob”, entonces nuestro control fue remplazado por un potenciómetro rotante, al cual la herramienta de texto le cambiamos el extremo superior de la escala a 100, quedando un potenciómetro que puede tomar todos los valores entre y 100; esto es así porque el terminal “volume” de la función “Sound output set volume.vi” requiere que se le ingrese un numero de a 100, que representa, respectivamente, del 0% al 100% del volumen salida de la tarjeta de audio Figura 28.13 Programa de salida analógica (altavoz) control de frecuencia y volumen 447 448 PARTE III CURSO DE LABVIEW Posteriormente, sobre el panel frontal hicimos “pop-up” sobre el control numérico “frequency”, y al desplegarse el menú hemos seleccionado “replace” → “numeric” → “vertical pointer slide” y nuestro control numérico cambió por un potenciómetro de tipo deslizante Luego la herramienta de texto de la paleta de herramientas establecimos el extremo superior del potenciómetro en 1000, es decir, 1000 Hz Finalmente, la tecla “Run” ejecutamos nuestro programa y si modificamos la frecuencia y el volumen podemos tener un buen control sobre el mismo, una interfaz muy amigable para el usuario Ejercicio Integrando conocimientos: adquisición de entradas analógicas (micrófono) y su reproducción por la salida analógica (altavoz) en forma continua LabVIEW posee un directorio ejemplos agrupados por área, este ejercicio lo extraeremos del directorio de ejemplos de LabVIEW, allí se ubican los siguientes subdirectorios: “ \examples\graphics and sound\sound”; el ejemplo que vamos a usar se denomina “Simultaneous sound input output.vi”, el cual se muestra en la figura 28.14 Hemos modificado ligeramente el aspecto del panel frontal para que en la figura se pueda observar el panel frontal y el diagrama de bloques completo A continuación se explica lo anterior Al comenzar la ejecución del programa se configuran iguales parámetros la entrada de micrófono (entrada analógica) y la salida de altavoz (salida analógica) Luego de configurar la salida analógica se crea un vector todos valores “0” y se escribe la salida analógica (altavoz), esto el propósito de limpiar el buffer de datos que pudiera contener Figura 28.14 Ejemplo de adquisición y reproducción continua en LabVIEW Capítulo 28 Funciones de adquisición de datos: salidas analógicas A continuación se ingresa al while loop y en el mismo se adquiere la entrada analógica o de micrófono (“Sound input read.vi”) y la información lda es transferida a la función “Sound output write.vi” para ser reproducida por el altavoz, este proceso se repite hasta que se presiona el botón de “Stop” u ocurra un error en la lectura de la entrada analógica o en la escritura sobre la salida analógica, ya que la variable de control del while loop se controla la operación “AND” de estos tres parámetros mencionados Al terminar la ejecución del while loop se realiza el “Sound input clear.vi” y el “Sound output clear.vi”, que detiene la operación de lectura de entrada analógica (micrófono) y de escritura de salida analógica (altavoz), liberando también los recursos de hardware que estas operaciones están utilizando Finalmente la información de error de las operaciones anteriores es multiplexada en un objeto llamado “merge errors” y su salida es cableada a un “Single error handler.vi” o un solo operador de errores Figura 28.15 Ubicación del VI Express “play waveform” para salidas analógicas de audio (altavoz) 449 450 PARTE III CURSO DE LABVIEW Recuerde que al principio mencionamos dos funciones, las cuales hasta ahora no hemos usado: la función “Sound output start.vi” y la “Sound output stop.vi” La primera es necesaria si en alguna parte de un programa se usó “Sound output stop.vi”; si queremos ser detallistas, tenemos que incluirlas en el programa para que el mismo tenga un control completo sobre el hardware que usamos para hacer adquisición de datos 28.2 Salidas analógicas usando VIs Express Tal como hicimos en el capítulo anterior, luego de haber visto una forma poderosa de producir salidas analógicas, que es usando las funciones intermedias para salidas analógicas de la tarjeta de sonido de la computadora, vamos a ver en esta sección una forma fácil de efectuar salidas analógicas, pero más limitada, mediante las herramientas o VIs Express de LabVIEW El VIs Express para salidas analógicas de la tarjeta de sonido de la computadora lo encontramos de la siguiente forma: seleccionamos la paleta de funciones → “Graphics & sound” → “Sound” → “Output”, y en este último menú elegimos la función “Play waveform”, el cual es un VI Express (figura 28.15) Una vez colocado en el diagrama de bloques el VI “Play waveform”, se despliega automáticamente la ventana de propiedades; de igual forma, si después deseamos desplegarla, nos colocamos sobre el VI Express “Play waveform”, ejecutamos un “pop-up” y al desplegarse el menú elegimos la función “Properties”, obteniendo la misma pantalla que se despliega al inicio automáticamente En la figura 28.16 se muestra este despliegue automático de la ventana de propiedades del VI Express “Play waveform” En el menú propiedades que se despliega automáticamente podemos ajustar el número de device (“0” o “1”) e incluso presionando “test device” podemos obtener una prueba de la salida analógica de la tarjeta de sonido; al presionarlo se escucha un sonido por los altavoces Figura 28.16 Despliegue automático del menú propiedades del VI “Play waveform” Capítulo 28 Funciones de adquisición de datos: salidas analógicas Figura 28.17 Ubicación de la función “Simulate signal” Si estamos de acuerdo la configuración seleccionada presionamos 0, En la figura 28.16 hemos invocado además la ayuda en línea o “Context help” para poder observar algunos detalles del VI Express Para generar la onda senoidal de frecuencia variable usaremos otro VI Express, denominado “Simulate signal.vi”, el cual encontramos en la paleta de funciones → “Express” → “Signal analysis” → “Simulate signal.vi” En la figura 28.17 se muestra la ubicación de la función mencionada Finalmente, construiremos estos dos VI Express un programa como el de la figura 28.18, donde observamos el panel frontal y el diagrama de bloques, respectivamente Igual que en ejercicios anteriores de este capítulo hemos generado un control de tipo potenciómetro deslizante y le hemos fijado los límites de a 300, también se visualiza la onda en un waveform graph 451 452 PARTE III CURSO DE LABVIEW Figura 28.18 Programa que genera una onda senoidal y la reproduce por el altavoz usando VI Express Al ejecutarlo observaremos que el sonido tiene interrupciones, esto se debe a que hemos colocado los VI Express dentro de un while loop para producir una ejecución continua del programa; pero recuerde lo que comentamos en el capítulo anterior, donde no aconsejábamos poner los VI Express en lazos iterativos, ya que, por ejemplo, el VI de salida de audio por cada iteración del while loop hace la siguiente secuencia: configura la salida de audio, escribe sobre la salida de audio y cierra la salida de audio Como se observa, dos de las tres operaciones anteriores no son necesarias, por lo que se pierde tiempo de ejecución en ellas y por eso se produce el corte en el sonido de salida; por tanto, sólo es necesario configurar la tarjeta de sonido al inicio y sólo se necesitaría cerrar cuando se termina la ejecución, lo único que se debe iterar es el proceso de escribir sobre la salida de audio Claro que es posible mejorar un poco este problema abriendo la ventana de propiedades de “Simulate signal” y tocando algunos parámetros, como velocidad de muestreo y cantidad de muestras, entre otros; intente probar estas variantes Finalmente, recuerde que: El VI Express no permite programar en LabVIEW a muy bajo nivel, ya que son estructuras de fácil uso, pero poco poderosas No es conveniente colocar el VI Express dentro de un while loop o for loop, ya que cada vez que se lo ejecuta abre, escribe y cierra el hardware de adquisición de datos Conclusión: use los VI Express sólo para programas de demostración y en aquellos que necesite obtener rápidamente para verificar algún valor y mientras no estén dentro de estructuras iterativas (while loop y for loop) Trate de no usar los VI Express por su baja eficiencia Recuerde: son sólo para algunas emergencias, en caso contrario use las funciones intermedias de salidas analógicas, que son más potentes y eficientes Glosario Nota: A continuación se escrito entre paréntesis, de algunos términos en español, el respectivo término en lengua inglesa Algunos términos de este glosario están únicamente en inglés, ya que no tienen actualmente un término equivalente en español A A/D: Sigla o abreviatura usada para indicar la conversión análogo-digital Ver también convertidor análogo digital A/D Converter: Ver Convertidor análogo digital Acceso directo a memoria (DMA = direct memory access): Método por el cual se transfiere información entre un dispositivo y la memoria de la computadora a través del bus de la misma, sin intervención del procesador de la máquina El DMA es uno de los métodos más rápidos para transferir información desde y hacia la memoria de la computadora Acondicionador de señal (signal conditioner): Dispositivo colocado entre el sensor y las entradas analógicas del sistema de adquisición de datos, el propósito de eliminar alinealidades del sensor, amplificar la sal producida por el sensor, producir filtrado contra señales indeseadas de ruido, alimentar el sensor una tensión o una corriente de excitación específica si así lo requiere, etcétera ADC: Ver Convertidor análogo digital Adquisición de datos (data acquisition): Tecnología electrónica que consiste en ingresar sales analógicas en un dispositivo electrónico Estas sales van a ser digitalizadas o convertidas a información digital para luego ser procesadas generalmente por una computadora También puede generar salidas analógicas mediante una orden de la computadora y manipular entradas y salidas digitales y contadores por hardware 453 454 GLOSARIO Aislación óptica (optical isolation): Dispositivo optoacoplador que conecta dos circuitos entre sí, de modo que la información se transmita y reciba entre ambos circuitos sin que exista continuidad eléctrica entre los mismos El propósito de esta técnica es evitar altas diferencias de potencial y transitorios entre ambos circuitos Alias de la señal (aliasing): Falsos componentes de baja frecuencia que aparecen en la señal adquirida por un sistema de adquisición de datos, cuando la velocidad de muestreo es inferior al doble de la componente de más alta frecuencia de la señal de entrada que se desea adquirir Amplificador aislador (isolation amplifier): Amplificador entradas y salidas eléctricamente aisladas, lo cual le permite a este dispositivo amplificar una señal diferencial que tenga superpuesto un alto voltaje de modo común Amplificador de instrumentación (instrumentation amplifier): Circuito amplificador diferencial de precisión y alto desempeño, que tiene una alta impedancia de entrada diferencial y una alta relación de rechazo de modo común de las señales para disminuir el nivel de ruido Presenta como característica adicional un bajo corrimiento o drift a lo largo del tiempo Amplificador de instrumentación de ganancia programable (PGIA = programmable gain instrumentation amplifier): Vea Amplificador de instrumentación Amplificador diferencial (differential amplifier): Tipo de amplificador que produce una señal de salida que es proporcional a la diferencia de la señal aplicada entre dos de sus terminales de entrada Generalmente se lo usa para mediciones de pequeñas señales, debido a que tiene una relación de rechazo de modo común que rechaza el voltaje generado en modo común o por igual en sus terminales de entrada, el cual se debe al ruido electromagnético presente en el entorno de medición Ancho de banda para adquisición de datos (data acquisition band-width): Rango de frecuencia sobre el cual un sistema de adquisición de datos adquirirá o procesará sales de entrada sin una significativa atenuación de las mismas B Baudio: Unidad de velocidad de transmisión de datos digitales Un baudio es igual a bit por segundo Bipolar: Rango de una señal que incluye valores positivos y negativos Por ejemplo una señal cuyo rango sea de +5 V a –5 V Bit (b): Dígito binario que puede ser o Bit menos significativo (LSB = least significant bit): Bit de menor orden dentro de un número binario Generalmente es el bit que está más a la derecha dentro de la representación binaria de una cantidad digital La precisión o exactitud de una medición un instrumento digital o un sistema DAQ se expresa como un múltiplo entero de este bit menos significativo (LSB) Blindaje (shielding): Cubierta protectora que elimina interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia que podrían alterar la sal que se pretende adquirir por un sistema DAQ Glosario BPS: Bits por segundo Unidad de velocidad de transmisión de datos digitales, equivale a igual cantidad en baudios Bus: Conjunto de conductores de una computadora, agrupados en un conector, que permiten conectar dispositivos adicionales a la misma, tales como una tarjeta de red, una tarjeta de video o una tarjeta de adquisición de datos Existen varios tipos de buses: bus PCI, ISA, EISA, PCMCIA, etcétera Byte (B): Conjunto de bits de datos C Cable blindado (shielded cable): Cable una cubierta o blindaje que evita que las interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia alteren la señal que se adquiere a través de los conductores que lo componen Canales (channels): Una de las muchas entradas analógicas o salidas analógicas que posee un sistema de adquisición de datos Estos canales en algunos sistemas DAQ pueden trabajar en forma multiplexada o en otros casos ser de muestreo simultáneo Compensación de junta fría (CJC = cold junction compensation): Método de compensación para las variaciones de temperatura ambiente que se usa en los circuitos de medición de temperatura termoacopladores Esto surge como consecuencia de que el coeficiente de Seebeck que relaciona la temperatura de la junta caliente del termoacoplador la tensión generada por la misma sido determinado teniendo en cuenta que la junta fría está a 0°C En un sistema de medición termoacopladores normalmente no sucede así, ya que la junta fría no está a 0°C sino a temperatura ambiente, ocasionando que la diferencia de potencial generada por el termoacoplador dependa de la diferencia de temperaturas entre la junta fría y la junta caliente, lo cual será tomado en cuenta a la hora de realizar la compensación Hay básicamente dos métodos de compensación de junta fría: en el primero la CJC se realiza por hardware, es decir electrónicamente, mientras que en el segundo método se realiza la medición de temperatura ambiente en la bornera y se realiza la CJC por software en la computadora o en el procesador del sistema de adquisición de datos Contador por hardware o temporizador por hardware (counter/timer): Circuito electrónico que puede contar eventos, como la cantidad de pulsos externos que han llegado a sus bornes En el caso de un timer es un circuito electrónico que puede medir tiempo entre dos eventos que se producen en sus terminales Controlador lógico programable (PLC = programmable logic controller): Dispositivo de control usado en control industrial, consta de un CPU, memoria, programas de tipo propietario y protocolos de conectividad a red Con respecto a sus entradas y salidas, el PLC tiene en su mayoría entradas y salidas digitales, y en menor medida entradas y salidas analógicas Control PID (PID Control): Dispositivo de control que posee un algoritmo de control de tres términos, el cual combina funciones proporcional, integral y derivada Convertidor análogo digital: Dispositivo electrónico o circuito integrado que realiza la conversión de un voltaje analógico a un valor digital Este tipo de convertidor se usa en los sistemas de adquisición de datos y en los instrumentos digitales de medición Corrimiento (drift): Cambio gradual a lo largo del tiempo del valor de salida de un amplificador cuando no cambian el valor de la señal de entrada ni tampoco las condiciones de funcionamiento del amplificador 455 456 GLOSARIO D D/A: Digital a analógico DAC = digital to analog converter: Convertidor digital a analógico Dispositivo electrónico o circuito integrado que convierte un número digital en su correspondiente valor analógico de tensión o de corriente sobre uno de los canales analógicos de salida de un sistema de adquisición de datos Decibel (decibel): Unidad de medida logarítmica de la relación de dos niveles de potencia de una sal, expresando la misma como: dB = 10 log (P2/P1) = 20 log (V2/V1) Donde P2 y P1 son las respectivas potencias de salida y de entrada, y V2 y V1 son los voltajes de salida y de entrada Dirección (address): Este término tiene dos acepciones: la primera es un número específico de ubicación en memoria donde un dato es almacenado, aplicable a la ubicación de memoria donde una tarjeta DAQ guarda un dato adquirido El segundo significado es el de un número que identifica biunívocamente a un dispositivo periférico; por ejemplo, en un sistema de adquisición de datos externo a través de RS485 esta dirección direcciona biunívocamente a cada adquisidor externo conectado a la red RS485 En forma similar podría aplicarse a un sistema GPIB compuesto de varios dispositivos externos GPIB Direcciones de I/O (I/O Address): Método que permite a la CPU o procesador de la computadora distinguir entre diferentes tarjetas conectadas a la misma Todas las tarjetas deben tener diferentes direcciones I/O Drivers: Software que controla un dispositivo de hardware tal como un sistema de adquisición de datos, una interface GPIB, un PLC, una RTU o cualquier otro dispositivo de entrada y salida E Encoder: Dispositivo electrónico que convierte desplazamientos lineales o rotaciones en señales de pulsos El más popular es el encoder óptico, el cual consta de un disco rotatorio que tiene muescas distribuidas en forma equidistante Este disco rotatorio está ubicado entre una fuente de luz y un fotodetector de tal forma que según rota el disco, el fotodetector lee luzsombra-luz-sombra, correspondiendo esto a on-off-on-off, produciéndose en consecuencia una sucesión de pulsos eléctricos sobre su salida, cuya cantidad dependerá del ángulo girado o de la distancia recorrida Por supuesto que el modelo descrito anteriormente es muy básico, ya que normalmente en la industria se utiliza el encoder doble salida desfasada una de otra 90°, lo que permite determinar ángulo girado y sentido de giro Esto último gracias a la particularidad que si el encoder gira en un sentido, uno de los dos canales de salida de pulsos supera al otro, y a la inversa si gira en sentido contrario Para más detalle ver sección 16.11 del capítulo 16 Entrada diferencial (differential input): Entrada analógica de un amplificador o de un sistema DAQ consistente en dos terminales, ambos aislados de tierra El sistema DAQ mide la diferencia de potencial entre ambas terminales de entrada Entradas y salidas digitales (DIO = Digital Input Output): Entradas o salidas digitales, las cuales pueden tomar sólo dos estados lógicos permitidos En el estándar TTL éstos serían V o V, correspondiente a los estados lógicos falso o verdadero, respectivamente, aunque si la ...Adquisición de datos: medir para conocer y controlar HANDBOOK PRIMERA DE ADQUISICIĨN DE DATOS EDICIĨN Carlos Chicala Revisión técnica: M en I Naomi Berenice Romero Mata Profesora del Departamento de Control... 1.10 Distintos tipos de tarjetas de adquisición de datos c) Son muy aconsejables para desarrollos de adquisición pequos y medianos d) Tienen un adecuado desempo en la mayoría de las aplicaciones,... desempo del sistema de adquisición de datos Capítulo g) Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos basados en computadora La maniobra de conectar y desconectar canales de