Como construir um sistema compacto de aquisição de dados

A aquisição de dados (DAQ) é uma função chave em uma variedade de atividades de pesquisa e engenharia que vão desde a validação e verificação do projeto até testes acelerados de vida e produção, entre outros. Enquanto os elementos-chave de um sistema de DAQ são simples: sensores, hardware e software de medição; a partir daí, as coisas podem ficar complicadas.

O sistema pode ser necessário para medir uma grande variedade de fenômenos físicos, portanto, ele precisa ser flexível e escalável, ao mesmo tempo em que é robusto e confiável, e o custo é sempre um fator. Como resultado, especificar e construir um sistema de DAQ é complexo. Se o sistema for superdimensionado, será caro e potencialmente incômodo de usar. Se for subdimensionado, será inadequado para tarefas atuais ou futuras. Para resolver o dilema, os projetistas podem adotar uma abordagem modular que começa com um chassi robusto e de alto desempenho com vários slots para desempenho adicional de processamento, características e opções de conectividade que podem ser necessárias ao longo do tempo.

Este artigo revisa as métricas de desempenho dos sistemas de DAQ que os especificadores precisam conhecer, incluindo a digitalização de sinais analógicos, teorema de amostragem Nyquist e aliasing, faixas de entrada, taxas de amostragem e amostragem multiplexada versus simultânea. Em seguida, apresenta uma abordagem modular baseada em um chassi CompactDAQ da National Instruments, módulos E/S analógicos e digitais, e componentes de software incluindo escolhas de ambiente de desenvolvimento, drivers e ferramentas de análise/relatórios.

Requisitos de DAQ e métricas de desempenho

Como mencionado, um DAQ em um nível básico compreende sensores, condicionamento de sinal, conversores analógico-digitais (ADCs), processadores e software associado (Figura 1). A tarefa dos projetistas é adequar os elementos do sistema ao que está sendo medido e analisado, mantendo um controle sobre o custo e o tempo de instalação.

Figura 1: Os sistemas DAQ consistem de sensores, dispositivos de medição DAQ que fornecem condicionamento de sinal e conversão de dados e recursos computacionais que incluem drivers e software de aplicação. (Fonte da imagem: NI)

Para combinar os elementos, é importante entender que precisão, amplitude e frequência do sinal são os parâmetros fundamentais de um sistema de DAQ. Estes se traduzem em resolução, faixa e taxa de medição, respectivamente. Em muitas aplicações, a resolução é a consideração mais importante. A resolução define o número de valores de medição disponíveis. Por exemplo, um dispositivo com resolução de 3 bits pode medir 8 valores possíveis (2³), enquanto um dispositivo com resolução de 6 bits pode medir 64 (2⁶) valores possíveis (Figura 2). A maior resolução se traduz em medidas que refletem com mais precisão o sinal.

Figura 2: A precisão em um dispositivo de DAQ se traduz em resolução; um dispositivo de DAQ com resolução de 6 bits fornece 8 vezes a quantidade de informações (8 vezes mais precisas) do que um dispositivo com resolução de 3 bits. (Fonte da imagem: NI)

Um determinado ADC será definido para medir em uma faixa de entrada definida, como ±10 volts, e a resolução do dispositivo DAQ se aplica à faixa total. Se uma medição estiver sendo feita em uma faixa menor, por exemplo ±2 volts, o resultado é uma medição com uma fração (neste caso, cerca de 20 %) da resolução especificada do dispositivo DAQ (Figura 3). O uso de um dispositivo de DAQ com faixas de entrada selecionáveis pode resolver este problema. As faixas de entrada comuns incluem ±10 volts, ±5 volts, ±1 volts e ±0,2 volts. O escalonamento da faixa de entrada para atender à faixa de sinal resulta em uma medição de maior qualidade.

Figura 3: A utilização de um dispositivo de DAQ com resolução de 3 bits e uma faixa de ±10 volts (linhas vermelhas na esquerda e linhas pontilhadas amarelas na parte superior e inferior da faixa, respectivamente) para medir um sinal de ±2 volts (onda sinusoidal branca) resulta em uma perda significativa de precisão. (Fonte da imagem: NI)

Taxa de amostragem, Nyquist e sobreamostragem

A taxa de amostragem é a taxa na qual o ADC converte a entrada analógica em dados digitais. A taxa de amostragem e a resolução podem ser inversamente correlacionadas. Taxas de amostragem mais altas são frequentemente possíveis apenas pela redução dos bits de resolução, pois uma taxa mais alta permite menos tempo para o ADC digitalizar o sinal. Como resultado, é importante otimizar a taxa de amostragem.

O Teorema da Amostragem Nyquist é útil aqui: Ele afirma que uma taxa de amostragem, f_s, que excede o dobro da frequência máxima do sinal resultará em uma medição precisa da frequência do sinal original. Isto é chamado de frequência Nyquist, f_N. Para medir com precisão a forma e a frequência do sinal original, o Teorema Nyquist exige que f_s seja de 5 a 10 vezes a frequência máxima do sinal. O uso de uma taxa de amostragem superior a f_N é chamado de sobreamostragem.

Além de entender o f_N, o aliasing e o ghosting são desafios que precisam ser enfrentados ao otimizar o f_s. O aliasing é um efeito que causa distorção no espectro de um sinal amostrado, devido à taxa de amostragem ser muito baixa para capturar com precisão o conteúdo de alta frequência. A sobreamostragem pode eliminar o aliasing. A sobreamostragem também é útil para captar bordas rápidas de sinal, eventos únicos e transitórios. Entretanto, se f_s for muito alto, um fenômeno chamado ghosting pode ocorrer durante a amostragem multiplexada.

Com altas taxas de amostragem multiplexadas, o tempo de assentamento de cada canal de entrada se torna um fator. O ghosting acontece quando a taxa de amostragem excede o tempo de assentamento do dispositivo de DAQ. Nesse ponto, os sinais nos canais adjacentes interferem, levando a medições fantasmagóricas e imprecisas (Figura 4).

Figura 4: À esquerda, a taxa de amostragem é suficientemente baixa para permitir um assentamento adequado entre as medições nos canais 0 (vermelho) e 1 (azul). À direita, o ghosting ocorre porque a taxa de amostragem é muito alta, e o canal 0 está impactando a medição no canal 1. (Fonte da imagem: NI)

A taxa efetiva de amostragem de um dispositivo de DAQ é impactada pela escolha de uma arquitetura simultânea ou multiplexada. A amostragem simultânea usa um ADC por canal de entrada e fornece a taxa de amostragem completa em todos os canais, independente do número de canais (Figura 5).

A amostragem simultânea permite a aquisição de múltiplas amostras de uma só vez. Uma arquitetura simultânea é relativamente cara e envolve mais componentes que podem limitar o número de canais disponíveis em um único dispositivo de DAQ. Em uma arquitetura multiplexada, um multiplexador (mux) é usado para compartilhar um único ADC entre todos os canais, reduzindo a taxa máxima disponível para cada canal. As amostras são adquiridas em série com atrasos entre canais. As arquiteturas multiplexadas custam menos e podem resultar em um dispositivo de DAQ com maior densidade de canais.

Figura 5: A amostragem simultânea fornece a taxa de dados completa em todos os canais, enquanto que na amostragem multiplexada, a taxa de amostragem completa é compartilhada entre todos os canais, resultando em uma taxa mais baixa por canal. (Fonte da imagem: NI)

Construção de um sistema DAC compacto

O primeiro passo na construção de um sistema DAC é selecionar o chassi CompactDAQ. Os chassis estão disponíveis com vários barramentos de comunicação incluindo PCI e PCI Express (PCIe), USB de alta velocidade, PXI e PXI Express (PXIe), e Ethernet 2.0, e de um a 14 slots para os módulos de E/S série C da NI. Por exemplo, o 781156-01 tem oito slots e uma interface USB 2.0 (Figura 6). Tipos e canais de medição adicionais podem ser acrescentados ao sistema simplesmente conectando os módulos. Todos os módulos são automaticamente detectados e sincronizados com o clock no painel traseiro do chassi.

Figura 6: O chassi 781156-01 CompactDAQ tem oito slots e uma interface USB 2.0 de alta velocidade. (Fonte da imagem: NI)

O barramento de comunicações é uma parte importante da especificação do chassi (Tabela 1). Os 60 megabits por segundo (Mbits/s) fornecidos pelo USB são adequados para a maioria das aplicações, e o USB tem boa flexibilidade e portabilidade. A Ethernet pode suportar longas distâncias de cabos e sistemas distribuídos de DAQ em aplicações fisicamente grandes. Os barramentos PCI e PCIe permitem que os dispositivos sejam conectados a um computador desktop para registro e análise de dados. Os barramentos PXI e PXIe são similares ao PCI e PCIe, mas oferecem capacidades de sincronização superiores, permitindo a consolidação e comparação de grandes quantidades de dados.

Tabela 1: A seleção do barramento de comunicação DAQ é uma parte importante da seleção do chassi. O barramento deve ser compatível com as taxas de transmissão de dados necessárias, distâncias e necessidade de portabilidade. (Fonte da imagem: NI)

Uma vez selecionado o chassi, os projetistas podem escolher entre mais de 60 módulos da Série C para aplicações de medição, controle e comunicação. Os módulos da Série C estão disponíveis e podem ser conectados a praticamente qualquer sensor ou barramento, além de permitirem medições de alta precisão que atendem às demandas de DAQ e aplicações de controle (Figura 7). Estes módulos são substituíveis em funcionamento e fornecem condicionamento de sinal específico de medição para filtrar ruídos e isolar dados, conversão analógico-digital, além de uma variedade de conectores de entrada.

Figura 7: Os módulos da série C têm um fator de forma comum, podem ser conectados em funcionamento em qualquer chassi CompactDAQ, e estão disponíveis com uma variedade de conectores de entrada para atender às necessidades de diversas aplicações. (Fonte da imagem: NI)

Os módulos da série C podem ser usados para muitas funções de DAQ e controle, inclusive:

• Os módulos de entrada analógica que têm até 16 canais para conectividade com tensão, corrente e sensores comuns para medir temperatura, som, tensão, pressão, carga, vibração e muito mais.
  • O NI 9239 é um módulo de entrada analógica com quatro canais de uso geral. Cada canal fornece uma faixa de medição de ±10 volts com resolução de 24 bits e gera 50 mil amostras por segundo (kS/s) de dados em sua taxa máxima de amostragem.
• Os módulos de saída analógica que estão disponíveis com 2, 4 e 16 canais e podem ser usados para gerar sinais de tensão e controlar atuadores industriais acionados por corrente
  • O NI 9263 é um módulo de saída analógica de quatro canais com calibração rastreável pelo National Institute of Standards and Testing (NIST), mais proteção contra sobretensão, proteção contra curto-circuito, taxa de variação rápida e alta precisão.
• Os módulos de entrada e saída digital que podem ser usados para a geração e leitura de sinais digitais. Os módulos de entrada digital estão disponíveis com 4, 6, 8, 16 e 32 canais, os módulos de saída e bidirecionais são oferecidos com 8, 16 e 32 canais.
  • O NI 9423 é um módulo de entrada digital de oito canais compatíveis com sinais de 24 volts e foi projetado para trabalhar com níveis lógicos industriais e sinais para conexão direta a uma série de interruptores industriais, transdutores, sensores e outros dispositivos.
  • O NI 9472 é um módulo de saída digital de oito canais compatíveis com sinais de 6 a 30 volts e pode se conectar diretamente a uma variedade de dispositivos industriais, tais como atuadores, relés e motores.

Integração de software

O passo final na construção de um sistema de DAQ compacto é o software. A interface de programação de aplicativo (API) NI-DAQmx funciona diretamente com uma variedade de opções de desenvolvimento, incluindo LabVIEW, C, C# e Python. A API suporta a operação contínua em todos os dispositivos DAQ da NI e minimiza os esforços de re-desenvolvimento resultantes de atualizações ou mudanças de hardware, e inclui acesso à documentação, arquivos de ajuda e numerosos exemplos de software pronto para ser executado para dar início ao desenvolvimento de aplicações.

Os desenvolvedores podem selecionar o nível de programação necessário para cada projeto (Figura 8). O software de registro de dados FlexLogger fornece um ambiente intuitivo de desenvolvimento de configuração focado no sensor que pode se integrar com o LabVIEW da NI para análise personalizada. O uso do LabVIEW suporta a opção de configuração de hardware usando painéis de análise interativos, ou um ambiente de programação completo. Os desenvolvedores avançados podem usar a maioria das linguagens de programação para interagir diretamente com o DAQmx API para personalização e desempenho.

Figura 8: Um fluxograma de seleção do software DAQ mostra como os desenvolvedores podem selecionar o nível de programação que gostariam de fazer para cada projeto. (Fonte da imagem: NI)

Conclusão

Projetar um DAQ pode ser uma tarefa complexa se começar do zero. Sensores, condicionamento de sinal, processamento, E/S e software devem atender à tarefa em mãos, permitindo modificações e atualizações ao longo do tempo. Em vez de costurar os elementos juntos, os desenvolvedores podem adotar uma abordagem modular para projetar de forma rápida e eficiente um sistema DAQ compacto que inclui sensores, hardware e software, todos os quais podem ser trocados ao longo do tempo à medida que os requisitos da aplicação mudam.

Além disso, a abordagem mostrada neste artigo suporta vários barramentos de comunicação, incluindo PCI e PCIe, USB de alta velocidade, PXI e PXIe, e Ethernet 2.0 para atender às exigências específicas do sistema. Ele usa módulos substituíveis em funcionamento para fornecer condicionamento de sinais específicos de medição para filtrar ruídos e isolar dados, e conversão analógico-digital, além de uma seleção de estilos de conectores de entrada. Também é flexível e pode ser integrado com vários softwares de medição, incluindo LabVIEW, C, C# e Python.

Leitura recomendada

1. Como projetar um sistema de aquisição de dados multicanal de uso geral