National Instruments Italy

L’utilizzo della Strumentazione Virtuale per le Misure Industriali

Agenda

• Introduzione alla strumentazione Virtuale• Elementi di una catena di misura• Dimostrazione di LabVIEW• Esercitazioni e supporti

• Fondata nel 1989• 50+ dipendenti• Uffici a Milano e a Roma• Divisione Commerciale• Divisione Tecnica• Divisione Marketing• Divisione Didattica e Ricerca

– Sito www.ni.com/italy - Didattica e Ricerca

• Dispense• Esercitazioni• Opportunita’ di lavoro

National Instruments Italy

ISO 9002Certified

Computer-Based InstrumentsComputer-Based Instruments

PROCESSOR BUS

Conditioning

TimingA/D

D/A

DI/O

TI/O

DISPLAY

AND

CONTROL488 PORT

µPMath

MEMORYµP

ROM

Strumento standard vs strumento virtuale

• Register-mapped I/O• Limitate capacità di

espansione• Funzionalità fisse• Interfaccia esterna

• Memory mapped I/O• Processamento Dati Veloce• Connessione Internet/intranet • Online data logging/trending• Online report generation• Memoria Espandibile

PROCESSOR BUS

Conditioning

Timing

A/D

D/A

DI/O

TI/O

DISPLAY AND

CONTROL

488 PORT

µP

Math

MEMORY

µP

ROM

Control Panel

Flow

Pressure Alarm Conditions

STOP

Temperature

IL PC dentro lo strumento

• Vantaggi – Interfaccia Windows familiare, aggiornamento software

automatico, connettività di rete– Potenza di processamento a più basso costo– Sistemi operativi standard – Aggiornamento software (on line) più facile

IL PC dentro lo strumento

• Un esempio : HP Infinium

Lo Strumento nel PC

• L’utilizzatore può scegliere il computer• L’utilizzatore acquista solo le funzionalità che utilizza• L’utilizzatore ha il controllo TOTALE del sistema• L’utilizzatore si avvantaggia delle nuove tecnologie

Gli strumenti nel PC sono il REALE vantaggio per l’ utente, permettendo di fruire appieno della rivoluzione tecnologia dei personal computer

Costi minori vs prestazioni migliori

Gli Elementi di un sistema di Misura

Oscilloscopio

Multimetri Matrici

Sorgente di Segnale

Strumenti su scheda• Alta risoluzione (8-24bit)• Trasferimento dati ad alta Velocita’

(AT CPCI/PXI)• Fino a 100MS/sec• Soluzioni:

– DMMs– Oscilloscopi– Analizzatori di spettro– Frequenzimetri– RF Analyzer (2.7GHz)

• Sofisticati sistemi di Triggering e Sincronizzazioni tra diversi dispositivi

Una soluzione:Il PC Strumento!

Oscilloscopio

MultimetroMatrice

Gen.di Funzioni

Sistemi di Misura e Controllo

Hardware & Driver SoftwareHardware & Driver Software

MotionControlMotionControl

PXIPXIUnita’ sotto testUnita’ sotto test

Software ApplicativoSoftware Applicativo

ImageAcquisition

ImageAcquisition

VXIVXI

DAQDAQ

GPIBGPIB

SerialSerial

Componenti della Misura

Condiziona-mento

Condiziona-mento DigitalizzazioneDigitalizzazione ComputerComputerSegnali

SensoriSegnali Sensori

AmplificazioneAttenuazioneIsolamentoFiltraggio

MultiplexingEccitazione

SSHF-to-V

Bridge Comp.

AmplificazioneAttenuazioneIsolamentoFiltraggio

MultiplexingEccitazione

SSHF-to-V

Bridge Comp.

FrequenzaRisoluzioneFrequenza

Risoluzione

AnalisiPresentazioneDistribuzione

AnalisiPresentazioneDistribuzione

TermocoppieRTD

TermistoreStrain Gauge

PressioniCarichi

TensioniCorrentiDigitali

TermocoppieRTD

TermistoreStrain Gauge

PressioniCarichi

TensioniCorrentiDigitali

Le schede di acquisizione dati

• Un classico esempio: scheda DAQ su PCI– 8 canali ADC 12/16 bit

• Guadagno programmabile • Range di ingresso selezionabile• Da 20 a 100000 KS/s

– 2 canali DAC 12/16 bit• Uscita fino a 42Volts

– Da 8 a 32 I/O digitali TTL– 2 Contatori/Temporizzatori

Tecnologie presenti in una scheda DAQ

Schema a blocchi di una scheda DAQ

ADCMUX NI-PGIA

Counter I/O

Digital I/O

NI MITE

Analog OutputNI DAQ-STC

Bus disinconizzazione

Analog Input

Multiplexer Amplificatore Convertitore Analogico/Digitale

Multiplexers

Scopo: incrementare il numero dei canali

ADC

Acquisizione con Multiplexers

Interchannel Delay Phase Shift

Each signal is routed through the multiplexer Time delay between sampling of each channel Phase shift is negligible for most applications

Campionamento Simultaneo

No Phase Shift

T/H

T/H

Digitizer control signal locks the track-and-hold amplifiers

Signals are routed through the multiplexer Track-and-hold amplifiers are released

Tecniche di miglioramentodel rapporto segnale rumore

( Dithering )

Tecniche per il miglioramento della risoluzione

• Dithering (12-bit only)• Noise-rejecting op-amps• Carefully designed (Gaussian) noise floor

Noi

se +

Qua

ntiz

atio

n Er

ror (

LSB

)

Number of Averaged Samples

Without

NI

Dithering

Actual Signal1 bit (4.8 mV for 12-bit board with +/- 10 V input range)

12-bit Without Dithering

9

0

Weighted Average = 4.8mV

Actual Signal = 3.3mV

Dithering

1 bit (4.8 mV for 12-bit board with +/- 10 V input range)

Dithering Applied

6

3

Dithered Weighted Average = 3.2mVActual Signal = 3.3mV

Weighted Average = 4.8mV

Tecniche di miglioramentodel rapporto segnale rumore

Range & Guadagno

Range

100 20015050Time (s)

0

-7.50-10.00

-5.00

-2.50

2.50

5.00

7.50

10.00

Amplitude(volts)

Range = -10 to +10 volts(5kHz Sine Wave)

3-bit resolution

000

001

010

011

100

101

110

111

| ||||

– La risoluzione dell’ A/D è distribuita all’ interno del range di acquisizione• Massima Risoluzione = Range Corretto

Condizionamento: amplificazione

16-bitDigitizer

10 mVsignal

Solo 32 livellidi risoluzione!

16-bitDigitizer

10 Vsignal

65,536 livellidi risoluzione

Ottimizza la risoluzione nel range di misura scelto

Amplifier

Range +/-10 Volts

Condizionamento: amplificazione

Migliora il rapporto segnale/rumore (SNR)

Amplifier

Segnale di basso

livelloAmplificatore esterno Scheda DAQ

Cavi

Amplificatore differenziale di classe strumentale

Rumore

ADC+_

Esempio di amplificazione

100 200150500Time (s)

01.25

5.00

2.503.75

6.257.508.75

10.00

Amplitude(volts)

Different Gains for 16-bit Resolution(5kHz Sine Wave)

Gain = 2

| ||||

Your Signal

Gain = 1

• Segnale d’ ingresso = 0 - 5 Volts• ADC Range = 0 - 10 Volts• Settaggio del guadagno dell’ amplificatore = 2

Amplified Signal

Signal to Noise Ratio (SNR)

SignalVoltage

S.C.*Amplification

Noise inLead Wires

DAQ BoardAmplification

DigitizedVoltage

SNR

Amplify only atDAQ Board

.01 V None .001 V x100 1.1 V 10

Amplify at S.C.*and DAQ Board

.01 V

.001 V

.001 V x10

x100

x10 1.01 V 100

Amplify only atS.C.*

.01 V None 1.001 V 1000

– Maggiore è l’ SNR, meglio è– Obbiettivo: amplificare il segnale, NON il rumore

* S.C. = Signal Conditioning

Esempio : acquisizione di una termocoppia

TermocoppiaDAQ Signal

Accessory

Scheda DAQ

Un amplificatore in classe strumentale: NI-PGIA

Garantisce un tempo di assestamento bassissimo, anche a frequenze di campionamento elevate

0.0

20.0

40.0

60.0

0 150 300

Sampling Rate (kS/s)Se

ttlin

g Ti

me

(LSB

)

Other

NI

Altre tecniche: auto calibrazione

Drif

t Err

or (%

)Time

NI

Other

• Misure migliori e più stabili nel tempo

• Riduzione dell’ effetto del drift in temperatura dei componenti

Circuito di protezione dal drift in temperatura

Temperature (°C)Te

mpe

ratu

re E

rror

(%)

• Uso di reti di compensazione e componentistica di grado superiore

• Auto calibrazione basata su una sorgente a bordo precisa

• Sensore di temperatura a bordo

Tutto ciò assicura un comportamento uniforme a standard elevati a prescindere dalla temperatura ambiente

NI

Other

Caratterizazione del convertitore analogico/digitale

Risoluzione di un convertitore AD

100 200150500

Time (s)

0

1.25

5.00

2.50

3.75

6.25

7.50

8.75

10.00

Amplitude(volts)

16-Bit Versus 3-Bit Resolution(5kHz Sine Wave)

16-bit

3-bit

000

001

010

011

100

101

110

111

| ||||

• La dinamica di conversione può essere migliorata giocando con il range ed il guadagno

Frequenza di campionamento

• E’ la frequenza di conversione dell’ A/D (Hertz)

• Va seguito il Teorema di Nyquist

• Fcampionamento>=2*Fsegnale

Ben campionato

Aliasato per sottocampionamento

Aliasing

• Sottocampionare un segnale analogico può dar vita all’ apparire di “frequenze fittizie” nella banda di interesse

• Un segnale aliasato non può più essere correttamente ricostruito

Prevenire l’ aliasing

• Incrementare la frequenza di campionamento• Inserire un filtro passa-basso anti alias

Filtri Anti-Aliasing

• E’ un filtro analogico passa basso

• Taglia fuori le componenti a frequenze superiore che potenzialmente possono dare alias

L’ importanza del driver di misura:Measurement and Automation Explorer

LabVIEW™

• Pannello Frontale• Interfaccia Utente Grafica • Indicatori e Controlli

• Diagramma a Blocchi• Codice Sorgente • Libreria delle “funzioni”• Rapido sviluppo di codice• Auto-documentante

LabVIEW Programming

• Compiled graphical programming• Wires and icons• Development time reduction by 4 to 10X • Full-fledged programming environment

Dataflow Programming

PlotPlot

SaveSave

RMSRMSExecute

In ParallelExecute

In Parallel

• Wires pass data (nonlinear)• Data flows from sources to sinks• Code can execute multiple operations in parallel

Hierarchy of VIs

• Modular design• Reusable building blocks• Hierarchal system

Alcuni esempi di Strumenti Virtuali

• Esempio n°1• Esempio n°2• Esempio n°3