Ćwiczenie 5 WIELOFUNKCYJNA KARTA POMIAROWA DAQ 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się studentów z budową, zasadą działania, wykorzystaniem i własnościami metrologicznymi wielofunkcyjnej karty pomiarowej DAQ. 2. Wprowadzenie 2.1. Wielofunkcyjna karta pomiarowa DAQ Wielofunkcyjna karta DAQ (akronim Data AcQuisition) to wielokanałowa karta wejść/wyjść analogowych i cyfrowych, wykorzystywana w komputerowych systemach pomiarowych i sterowania [Świsu2002]. W zależności od wykonania, karta DAQ posiada jedynie złącze do podłączenia modułu zacisków wejść/wyjść lub bezpośrednio gniazda wejść/wyjść np. w postaci złącz BNC. Karta DAQ kontrolowana jest tylko i wyłącznie z poziomu oprogramowania. Najpopularniejsze są karty umieszczane bezpośrednio w komputerze PC. Bazują one na złączu PCI (ang. Peripheral Component Interconnect magistrala komunikacyjna stosowana w komputerach klasy PC) lub PCIe (ang. PCI Express rozszerzenie magistrali PCI, zwiększające przepustowość danych). Dostępne są również karty w standardzie przemysłowym PXI, (PCI extention for Instrumentation przemysłowa, modułowa platforma akwizycji danych i sterowania oparta o magistralę PCI), CompactPCI inna platforma przemysłowa wykorzystująca magistralę PCI, VXI (VME extensions for Instrumentation, zaś VME to standard komputerów przemysłowych), z interfejsem USB lub bezprzewodowym. Wielofunkcyjna karta DAQ umożliwia bezpośrednie doprowadzenie do jej zacisków wejściowych sygnałów napięciowych oraz generowanie sygnałów napięciowych. Doposażona w układy kondycjonujące dla różnego rodzaju czujników pomiarowych, wykorzystana może być do rejestracji różnych wielkości fizycznych i chemicznych (przyspieszenia, siły, ph, temperatury, itp.). Przykładowy schemat systemu pomiarowego bazującego na karcie DAQ pokazano na rys. 1.
Oprogramowanie Moduł zacisków we/wy Układy kondycjonowania (przetworniki) Rys. 1. Schemat systemu pomiarowego opartego o kartę DAQ i komputer klasy PC Ogólny schemat blokowy wielofunkcyjnej karty DAQ pokazano na rys. 2. Poza wejściami i wyjściami analogowymi, dostępne są wejścia i wyjścia cyfrowe, układy liczników. Niektóre karty wyposażone są dodatkowo w wejścia programowalne (PFI na rys. 2), które mogą być konfigurowane do pracy jako wejścia/wyjścia cyfrowe lub czasowe, np. do sterowania wyzwalaniem pomiarów na kanałach analogowych. W czasie zajęć laboratoryjnych wykorzystywane będą jedynie wejścia i wyjścia analogowe, więc do nich ograniczony został schemat blokowy wejść analogowych karty DAQ, pokazany na rys. 3 oraz schemat blokowy wyjść analogowych, pokazany na rys. 4. Liczba wyjść analogowych zależy od modelu karty. Popularne karty DAQ z magistralą PCI lub PCIe mają osiem wejść analogowych, pracujących w trybie bipolarnym (różnicowym) z możliwością rekonfiguracji na 16 wejść unipolarnych. Wybór rodzaju wejść odbywa się na drodze programowej. Dostępne są karty wyposażone w 80 wejść unipolarnych. Zdecydowana większość kart DAQ wyposażona jest w jeden przetwornik analogowo-cyfrowy dla wszystkich wejść, które muszą być multipleksowane. Z kolei wyjścia analogowe, których jest zazwyczaj 2 do 4, zwykle wyposażone są w oddzielne przetworniki cyfrowoanalogowe typowo 12 lub 16-bitowe. Rozdzielczość przetwarzania dla wejść analogowych wynosi nominalnie 16 do 18 bitów. Spotyka się również karty o mniejszej, 12-bitowej rozdzielczości. Stosowane są przetworniki analogowo-cyfrowe kompensacyjne [Piotr2002] (ang. SAR Succesive AppRoximation), zaś osiągane częstotliwości próbkowania mieszczą się w zakresie 250 khz do około 1 MHz. Wykorzystując wielokanałowy tryb pracy karty, należy mieć na uwadze opóźnienie wprowadzane pomiędzy czasem pobrania próbek z kolejnych kanałów. Czas ten zależy przede wszystkim od czasu ustalania wzmocnienia wzmacniacza programowalnego (patrz rys. 3, NI PGIA) dla przyłączanego kanału i wynosi typowo od kilku do kilkunastu mikrosekund. Wzmocnienie to wynika z zakresu pomiarowego, który może mieć różną wartość dla kolejnych kanałów wejściowych. Stosując więc
maksymalną częstotliwość próbkowania i różne zakresy pomiarowe dla przełączanych kanałów, należy liczyć się ze zmniejszeniem dokładności pomiarów. Wspomniany programowany wzmacniacz pomiarowy umożliwia wybór zakresu pomiarowego zapewniający najlepszą rozdzielczość i dokładność przetwarzania sygnału analogowego. Rys. 2. Schemat blokowy karty DAQ (na podstawie [NI2008]) Złącze wejściowe Rys. 3. Schemat blokowy wejść analogowych karty DAQ (na podstawie [NI2008])
Rys. 4. Schemat blokowy wyjść analogowy karty DAQ (na podstawie [NI2008]) 2.2. Inne karty DAQ Jeśli wymagane jest jednoczesne próbkowanie na wszystkich kanałach, wówczas korzystać należy z kart pomiarowych wyposażonych w odrębne przetworniki analogowo-cyfrowe dla każdego z kanałów. Karty te są znacznie droższe od popularnych kart wielofunkcyjnych, często są również wyposażone w układy filtrów antyaliasingowych (Filtr DP na rys. 3, zjawisko aliasingu opisano w punkcie 3.1) i oferują wyższe częstotliwości próbkowania (kosztem zmniejszenia rozdzielczości np. do 12 bitów). Ograniczona jest również liczba wejść analogowych typowo karty takie mają 4 bądź 8 wejść. Do rejestracji sygnałów o dużym zakresie zmienności (dużej dynamice), np. z akcelerometrów, mikrofonów, stosuje się specjalizowane karty o dużej rozdzielczości przetwarzania nominalnie 24-bitowe. Karty takie stosowane są np. w wibroakustyce. Dostępne są również wielofunkcyjne karty DAQ z wbudowanymi układami FPGA (ang. Field Programmable Gate Array programowana macierz bramek, rodzaj programowanego układu logicznego). Układ FPGA umożliwia umieszczenie części kodu źródłowego programu, np. prostej filtracji sygnału, algorytmu regulacji, itp. na karcie DAQ, przez co wykonuje się on nieporównywalnie szybciej niż na komputerze PC działającym pod zwykłym systemem operacyjnym.
3. Rejestracja i generowanie sygnałów z wykorzystaniem karty DAQ 3.1. Rejestracja sygnału Karta DAQ wyposażona jest w bufor wejściowy FIFO (ang. Fist In, Firs Out pierwszy wchodzi, pierwszy wychodzi) dla próbek rejestrowanego sygnału. Próbki zapisane do bufora jako pierwsze, pierwsze są też z niego pobierane. Rozmiar bufora FIFO karty wykorzystywanej w czasie ćwiczenia wynosi 4095 próbek. W zależności od konfiguracji karty w programie komputerowym, możliwe jest odczytywanie próbek sygnału bezpośrednio z bufora FIFO lub pośrednio, z bufora utworzonego w pamięci RAM komputera PC. Pierwszy sposób wykorzystywany jest przy niewielkich częstotliwościach próbkowania. W drugim sposobie rozmiar bufora RAM zależny jest od ustawionej częstotliwości próbkowania. Tak na przykład dla częstotliwości próbkowania w zakresie 100 Hz do 10 khz jest to 10 tyięcy próbek. Dane z pamięci FIFO są przesyłane do bufora RAM z wykorzystaniem mechanizmu DMA (ang. Direct Memory Access bezpośredni dostęp do pamięci z pominięciem jednostki centralnej, np. procesora komputera PC). Przy rejestracji sygnału należy mieć na uwadze ograniczenia karty pomiarowej. Przede wszystkim, w przypadku popularnych kart wielofunkcyjnych brak wbudowanych filtrów antyaliasingowych [Marc2000]. Przypomnijmy, że zjawisko aliasingu zachodzi wówczas, gdy maksymalna częstotliwość w widmie próbkowanego sygnału jest większa niż połowa częstotliwości próbkowania. Dla przykładu, na rys. 3 pokazano sygnał o częstotliwości 500 Hz zarejestrowany z częstotliwościami próbkowania dopowienio 10 khz oraz 600 Hz. Widać wyraźnie częstotliwość aliasingu 100 Hz (okres 0,01 s). Rys. 3. Graficzna objaśnienie zjawiska aliasingu Podobną częstotliwość aliasingu uzyskano by przy częstotliwościach próbkowania np. 200 Hz, 400 Hz. Ogólnie częstotliwość aliasingu wyznaczyć można z zależności f a
= nf p f s, gdzie f p jest częstotliwością próbkowania, f s częstotliwością sygnału, zaś n = 1, 2, 3, tak dobrane aby różnica występująca pod wartością bezwzględną była najmniejsza. Przedstawiony przypadek jest oczywiście wyidealizowany. W praktyce znamy zazwyczaj jedynie zakres zmian częstotliwości sygnału mierzonego, natomiast nie znamy częstotliwości zakłóceń. Aby wyeliminować zjawisko aliasingu stosuje się filtr dolnoprzepustowy a częstotliwość próbkowania ustala się co najmniej czterokrotnie większą od częstotliwości odcięcia filtru. W pomiarach przemysłowych filtr dolnoprzepustowy stanowi element układu kondycjonowania przetwornika. Dla przykładu na rys. 4 pokazano zalety korzystania z układu kondycjonującego dla termoelementu. Układ ten ma wbudowany filtr o częstotliwości odcięcia 2 Hz. Temperaturę zarejestrowano z tego samego czujnika, przy czym sygnał o wyraźnych fluktuacjach pochodzi z wejścia analogowego karty DAQ bez układu kondycjonowania. Z problemem braku układu kondycjonowania można sobie często poradzić stosując odpowiednio dużą częstotliwość próbkowania i uśredniając zarejestrowany sygnał. Chcąc na przykład zminimalizować wpływ zakłóceń sieciowych, można sygnał próbkować z częstotliwością 500 Hz w oknie czasowym 200 ms co odpowiada 10 okresom zakłócenia sieciowego i z zarejestrowanych próbek wyznaczyć wartość średnią jako wynik pomiaru. Rys. 4. Wpływ układu kondycjonowania sygnału z termoelementu na jakość pomiaru temperatury Istnieje szereg innych zagadnień związanych z rejestracją sygnałów z wykorzystaniem wielofunkcyjnej karty DAQ, które nie zostaną tutaj omówione. Między innymi związane z wyzwalaniem rejestracji sygnałem analogowym bądź cyfrowym, synchronizację rejestracji sygnałów analogowych i cyfrowych oraz mechanizm transferu danych z karty DAQ do programu komputerowego. Zagadnienia te wykraczają poza zakres niniejszego ćwiczenia laboratoryjnego.
3.2. Generowanie sygnałów Jak wspomniano we wstępie, w większości kart DAQ każde wyjście analogowe wyposażone jest w oddzielny przetwornik analogowo-cyfrowy. Zakres napięć wyjściowych może być programowalny, ale zależy to od typu karty. W popularnych kartach DAQ zakres ten jest stały. Tak na przykład dla karty dostępnej na stanowisku laboratoryjnym wynosi on ±10 V. W lepszych kartach można wykorzystać zaznaczone na rys. 4 opcje AO Reference Select do doprowadzenia zewnętrznego napięcia odniesienia dla przetwornika cyfrowo-analogowego, zaś AO Offset Select do ustawiania składowej stałej generowanego sygnału. Odpowiednie źródła sygnału odniesienia i składowej stałej wybierane są programowo, przy czym możliwe jest dołączenie źródła zewnętrznego na wybrane wejścia karty DAQ. Istnieje kilka sposobów generowania sygnału na wyjściu analogowym. Dla przykładu można kontrolować przesyłanie kolejnych słów kodowych odpowiadających generowanemu sygnałowi na wejście przetwornika cyfrowoanalogowego z poziomu oprogramowania lub też zaprogramować dedykowany do tego układ czasowy (zegar) znajdujący się na karcie DAQ. Pierwszy sposób zalecany jest w przypadku generowania napięcia stałego, gdzie nie jest istotne zachowanie reżimu czasowego generowanego sygnału zmiany wartości napięcia zleca użytkownik. Drugi sposób gwarantuje zachowanie równego odstępu czasowego pomiędzy wysyłaniem kolejnych słów kodowych na wejście przetwornika i może być stosowany przy generowaniu pojedynczych próbek napięcia zmiennego. W obu przypadkach słowa kodowe wysyłane z pominięciem bufora pamięci, bezpośrednio na wejście przetwornika cyfrowo-analogowego. Inaczej generowany jest ciąg słów kodowych, składający się na generowany sygnał. W tym przypadku sygnał z programu komputerowego przesyłany jest do wewnętrznego bufora wyjściowego FIFO karty DAQ, skąd kolejne słowa kodowe, taktowane zegarem wewnętrznym, wysyłane są na wejście przetwornika cyfrowoanalogowego. Jeśli wybrano generowanie sygnału w sposób ciągły, istnieją trzy metody jego generowania. Dane przesyłane są w sposób ciągły z bufora RAM, utworzonego na potrzeby generowania sygnału w pamięci komputera PC, do bufora FIFO karty, z wykorzystaniem mechanizmu DMA lub przerwań. Z bufora FIFO dane przesyłane są na wejście przetwornika, przy czym po przesłaniu ostatniej danej przesyłanie powtarza się. Bufor RAM jest w sposób ciągły uaktualniany, a nowe dane mogą być do niego przesyłane, np. po zmianie kształtu generowanego sygnału, bez zakłócania pracy bufora FIFO i przetwornika.
Dane przesłane są do bufora FIFO tylko raz, skąd przesyłane są na wejście przetwornika tak jak opisano poprzednio. Chcąc jednak zaktualizować zawartość bufora FIFO należy przerwać generowanie sygnału, przesłać do bufora nowe dane i ponownie uruchomić generowanie sygnału. Taki sposób generowania sygnału nie obciąża komputera PC i jest odporny na zakłócenia wynikające np. z nadmiernego obciążenia systemu operacyjnego. Dane z bufora FIFO są przesyłane na wejście przetwornika tylko raz, po czym zostają utracone. Wymaga to ciągłe dostarczanie do bufora FIFO nowych danych. Taki sposób generowania sygnałów zapewnia najszybszą jego zmianę na wyjściu przetwornika cyfrowo-analogowego, np. po zmianie kształtu czy amplitudy sygnału. W przypadku gdy program nie będzie w stanie dostarczyć nowych danych do bufora FIFO na czas, zgłoszony zostanie błąd i generowanie sygnału będzie przerwane. Jakość generowanego sygnału zależy od liczby próbek (słów kodowych) umieszczonych w buforze i liczby okresów (cykli) sygnału przypadającej na bufor. I tak na przykład gdy w buforze umieścimy 50 próbek i określimy liczbę cykli na 5, otrzymamy 10 próbek na okres. Przy 250 próbkach w buforze otrzymamy 50 próbek na okres. Zobrazowano to na rys. 5. Zależnie od sposobu przygotowania danych w programie komputerowym (np. programowy generator sygnałów) przed wysłaniem ich do bufora FIFO, przy małej liczbie próbek wystąpi błąd amplitudy generowanego przebiegu. Widać to wyraźnie na rys. 5a). Do wygenerowania próbek sygnału wykorzystano ten sam generator programowy na rys. 5b) błąd amplitudy jest niezauważalny. a) b) Rys. 5. Wpływ liczby próbek umieszczonych w buforze na jakość generowanego sygnału: a) 50 próbek; b) 250 próbek.
4. Stanowisko laboratoryjne 4.1. Karta DAQ Na stanowisku studenci korzystają z karty NI-PCI 6221M firmy National Instruments, umieszczonej w komputerze PC. Karta podłączona jest specjalnym kablem do modułu zacisków wejściowych BNC-2120. Generowane z wykorzystaniem karty przebiegi obserwowane są na ekranie oscyloskopu cyfrowego, zaś w czasie rejestracji, wybrane wejścia analogowe karty podawany jest sygnał z zewnętrznego generatora. Jest on jednocześnie obserwowany na ekranie oscyloskopu cyfrowego. Na rys. 6 przedstawiono w postaci blokowej schemat stanowiska laboratoryjnego. Specyfikacja karty pomiarowej oraz dane dokładnościowe dostępne są na stanowisku laboratoryjnym. a) b) Rys. 6. Schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego: a) konfiguracja przy rejestracji sygnałów; b) konfiguracja przy generowaniu sygnałów 4.2. Oprogramowanie Na komputerze PC zainstalowano programy do obsługi wejść i wyjść analogowych, wykorzystywane w czasie trwania ćwiczenia laboratoryjnego. Programy są intuicyjne w obsłudze. W razie potrzeby klawiszami Ctrl+h można uruchomić pomoc podręczną dla każdego z przycisków dostępnych na panelu czołowym programu. Obserwowane przebiegi można kopiować do dowolnego programu. Na
rys. 7 i rys. 8 pokazano panele czołowe obu programów. Programy napisane zostały w środowisku LabVIEW. Rys. 7. Wygląd panelu czołowego programu do rejestracji sygnałów kartą DAQ Rys. 8. Wygląd panelu czołowego programu do generowania sygnałów kartą DAQ
5. Literatura [Świsu2002] Świsulski D.: Komputerowa technika w przykładach, Agenda Wydawnicza PAK, Warszawa 2002. [NI2008] DAQ M Series M Series User Manual, National Instrumets Corporation, Austin, Texas, 2008. [Piotr2002] Piotrowski J.: Podstawy miernictwa, WNT, Warszawa, 2002 [Marc2000] Marcyniuk A.: Podstawy miernictwa elektrycznego dla kierunku elektronika, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000. 6. Pytania kontrolne 1. Omówić budowę karty DAQ. 2. Jakie są różnice pomiędzy prostymi a zaawansowanymi kartami DAQ? 3. Omów budowę wejść i wyjść analogowych karty DAQ. 4. Jak realizowana jest rejestracja sygnałów? 5. Jak realizuje się generowanie sygnałów? 6. Wyjaśnij zjawisko aliasingu. 7. Zadania 1. Skonfigurować system do pomiaru napięcia z generatora zewnętrznego, jak na rys. 6a. Zarejestrować sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 khz i amplitudzie 5 V. W programie wykorzystać funkcję pomiaru jednokrotnego (Finite Samples) dla różnych częstotliwości próbkowania, jednak powyżej 2 khz i liczby rejestrowanych próbek sygnału (Samples per Ch.) tak dobranej aby zarejestrować 2 5 okresów. Dla każdej nastawy parametrów rejestracji mierzyć kursorami częstotliwość zarejestrowanego sygnału. Jak częstotliwość próbkowania przekłada się na dokładność odwzorowania kształtu sygnału i pomiar jego częstotliwości? Pomiary powtórzyć dla sygnałów prostokątnego i trójkątnego. Zanotować w protokole wyniki pomiarów i obserwacji. 2. Powtórzyć pomiary dla sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 1010 Hz. Dodatkowo zmierzyć częstotliwość rejestrowanego sygnału na oscyloskopie cyfrowym (wykorzystać funkcję pomiarową do tego przeznaczoną) i porównać z wynikiem uzyskanym w programie. Wyjaśnić zaobserwowane różnice.
3. Zarejestrować sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 khz, ustawiając częstotliwości próbkowania odpowiednio na 1 khz, 250 Hz, 510 Hz oraz 240 Hz. Wyjaśnić otrzymane wyniki. 4. Skonfigurować system do generowania napięcia na wyjściu analogowym karty DAQ zgodnie z rys. 6b. Przebadać jakość generowanego sygnału dla ustawień amplitudy w programie: 10 V, 5 V, 1 V, 500 mv, 200 mv, 100 mv, 50 mv, 20 mv i 1 mv. Porównać rozdzielczość nominalną karty z rzeczywistą. Zanotować wnioski z obserwacji. 5. Przebadać wpływ ustawień liczby próbek i cykli w buforze na jakość generowanego sygnału sinusoidalnego obserwować odwzorowanie kształtu oraz dokładność generowania amplitudy. W programie stosować interpolację liniową i schodkową (Stepwise). 6. Powtórzyć badania z zadania 5 dla sygnałów trójkątnego i prostokątnego. 7. Korzystając z funkcji pomiarowych oscyloskopu, dokonać pomiarów czasu narastania i opadania dla sygnału prostokątnego. Badania przeprowadzić dla amplitudy generowanego sygnału: 100 mv, 1 V, 5 V, 8 V, 10 V.