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
National Instruments Italy
• 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
ISO 9002
Certified
Computer-Based Instruments
Strumento standard vs strumento virtuale
DISPLAY
AND
CONTROL
• 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
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
Sorgente di Segnale
Multimetri
Matrici
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
Gen.di Funzioni
Matrice
Multimetro
Sistemi di Misura e Controllo
Software Applicativo
Hardware & Driver Software
GPIB
Serial
DAQ
VXI
Image
Acquisition
Motion
Control
Unita’ sotto test
PXI
Componenti della Misura
Segnali
Sensori
Condizionamento
Digitalizzazione
Computer
Termocoppie
RTD
Termistore
Strain Gauge
Pressioni
Carichi
Tensioni
Correnti
Digitali
Amplificazione
Attenuazione
Isolamento
Filtraggio
Multiplexing
Eccitazione
SSH
F-to-V
Bridge Comp.
Frequenza
Risoluzione
Analisi
Presentazione
Distribuzione
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
Multiplexer
Amplificatore
MUX
Convertitore Analogico/Digitale
NI-PGIA
Bus di
sinconizzazione
Analog Input
Analog Output
Digital I/O
Counter I/O
NI MITE
NI DAQ-STC
ADC
Multiplexers
ADC
 Scopo: incrementare il numero dei canali
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
T/H
T/H
No Phase Shift
 Digitizer control signal locks the track-and-hold
amplifiers
 Signals are routed through the multiplexer
 Track-and-hold amplifiers are released
Tecniche di miglioramento
del rapporto segnale rumore
( Dithering )
Tecniche per il miglioramento della risoluzione
Noise + Quantization
Error (LSB)
1.8
1.2
Without
0.6
NI
0.0
1
50
100
Number of Averaged Samples
• Dithering (12-bit only)
• Noise-rejecting op-amps
• Carefully designed (Gaussian) noise floor
Dithering
12-bit Without Dithering
9
1 bit (4.8 mV
for 12-bit board
with +/- 10 V
input range)
Actual Signal
0
Weighted Average = 4.8mV
Actual Signal = 3.3mV
Dithering
6
1 bit (4.8 mV for
12-bit board
with +/- 10 V
input range)
Dithering Applied
3
Weighted Average = 4.8mV
Actual Signal = 3.3mV
Dithered Weighted Average = 3.2mV
Tecniche di miglioramento
del rapporto segnale rumore
Range & Guadagno
Range
– La risoluzione dell’ A/D è distribuita all’ interno del range
di acquisizione
• Massima Risoluzione = Range Corretto
Range = -10 to +10 volts
(5kHz Sine Wave)
10.00
7.50
5.00
2.50
Amplitude
0
(volts)
-2.50
-5.00
-7.50
-10.00 |
111
110
3-bit resolution
101
100
011
010
001
000
|
50
|
100
Time (ms)
|
|
150
200
Condizionamento: amplificazione
Amplifier
Ottimizza la risoluzione nel range di misura scelto
16-bit
Digitizer
10 mV
signal
Solo 32 livelli
di risoluzione!
16-bit
Digitizer
10 V
signal
Range +/-10 Volts
65,536 livelli
di risoluzione
Condizionamento: amplificazione
Amplifier
Migliora il rapporto segnale/rumore (SNR)
Rumore
+
_
Segnale di basso
livello
Amplificatore differenziale di
classe strumentale
ADC
Cavi
Amplificatore
esterno
Scheda DAQ
Esempio di amplificazione
• Segnale d’ ingresso = 0 - 5 Volts
• ADC Range = 0 - 10 Volts
• Settaggio del guadagno dell’ amplificatore = 2
Different Gains for 16-bit Resolution
10.00
8.75
7.50
6.25
Amplitude
5.00
(volts)
3.75
2.50
1.25
0|
0
(5kHz Sine Wave)
Amplified Signal
Gain = 2
Your Signal
Gain = 1
|
50
|
100
Time (ms)
|
|
150
200
Signal to Noise Ratio (SNR)
– Maggiore è l’ SNR, meglio è
– Obbiettivo: amplificare il segnale, NON il rumore
Signal
Voltage
S.C.*
Noise in
DAQ Board Digitized
SNR
Amplification Lead Wires Amplification Voltage
Amplify only at
DAQ Board
.01 V
None
.001 V
x100
1.1 V
Amplify at S.C.*
and DAQ Board
.01 V
x10
.001 V
x10
1.01 V 100
Amplify only at
S.C.*
.01 V
x100
.001 V
None
1.001 V 1000
* S.C. = Signal Conditioning
10
Esempio : acquisizione di una termocoppia
DAQ Signal
Accessory
Scheda DAQ
Termocoppia
Un amplificatore in classe strumentale:
NI-PGIA
Settling Time (LSB)
60.0
Garantisce un tempo di
assestamento bassissimo,
anche a frequenze di
campionamento elevate
Other
40.0
20.0
NI
0.0
0
150
Sampling Rate (kS/s)
300
Altre tecniche: auto calibrazione
Drift Error (%)
0.010
• Misure migliori e più stabili nel
tempo
• Riduzione dell’ effetto del drift in
temperatura dei componenti
Other
0.005
NI
0.000
0 mo
6 mo
Time
1 yr
• Uso di reti di compensazione e
componentistica di grado
superiore
• Auto calibrazione basata su una
sorgente a bordo precisa
• Sensore di temperatura a bordo
Temperature Error (%)
Circuito di protezione dal drift in temperatura
0.035
Other
0.018
NI
0.000
10
Tutto ciò assicura un comportamento uniforme
a standard elevati a prescindere dalla
temperatura ambiente
25
Temperature (°C)
40
Caratterizazione del convertitore
analogico/digitale
Risoluzione di un convertitore AD
16-Bit Versus 3-Bit Resolution
(5kHz Sine Wave)
10.00
111
8.75
7.50
110
6.25
101
Amplitude
5.00
(volts)
3.75
100
3-bit
011
010
2.50
001
1.25
0
16-bit
|
0
000
|
|
|
|
50
100
Time (ms)
150
200
• 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
Plot
RMS
Execute
In Parallel
Save
• 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