Cómo construir un sistema compacto de adquisición de datos

La adquisición de datos (DAQ) es una función clave en diversas actividades de investigación e ingeniería que van desde la validación y verificación del diseño hasta las pruebas de vida útil acelerada y de producción, entre otras. Aunque los elementos clave de un sistema DAQ son sencillos: sensores, hardware de medición y software; a partir de ahí, las cosas pueden complicarse.

El sistema puede tener que medir una amplia variedad de fenómenos físicos, por lo que tiene que ser flexible y escalable, a la vez que robusto y fiable, y el coste siempre es un factor a tener en cuenta. Por ello, la especificación y construcción de un sistema DAQ es compleja. Si el sistema está demasiado especificado, será costoso y potencialmente engorroso de utilizar. Si no se especifica lo suficiente, será inadecuado para las tareas actuales o futuras. Para resolver el dilema, los diseñadores pueden adoptar un enfoque modular que comience con un chasis resistente y de alto rendimiento con múltiples ranuras para el rendimiento de procesamiento adicional, las características y las opciones de conectividad que puedan ser necesarias con el tiempo.

Este artículo revisa las métricas de rendimiento de los sistemas DAQ que los especificadores deben conocer, incluida la digitalización de señales analógicas, el teorema de muestreo de Nyquist y el aliasing, los rangos de entrada, las tasas de muestreo y el muestreo multiplexado frente al simultáneo. A continuación, presenta un enfoque modular basado en un chasis CompactDAQ de National Instruments, módulos de E/S analógicos y digitales, y componentes de software que incluyen opciones de entorno de desarrollo, controladores y herramientas de análisis e informes.

Requisitos de la DAQ y métricas de rendimiento

Como se ha mencionado, un DAQ en un nivel básico comprende sensores, acondicionamiento de señales, convertidores de analógico a digital (ADC), procesadores y software asociado (Figura 1). La tarea de los diseñadores consiste en adaptar los elementos del sistema a lo que se mide y analiza, sin dejar de controlar el coste y el tiempo de preparación.

Figura 1: Los sistemas DAQ constan de sensores, dispositivos de medición DAQ que proporcionan acondicionamiento de señales y conversión de datos, y recursos informáticos que incluyen controladores y software de aplicación. (Fuente de la imagen: NI)

Para que los elementos coincidan, es importante entender que la precisión, la amplitud de la señal y la frecuencia de la señal son los parámetros fundamentales de un sistema DAQ. Esto se traduce en la resolución de la medición, el alcance y la tasa, respectivamente. En muchas aplicaciones, la resolución es lo más importante. La resolución define el número de valores de medición disponibles. Por ejemplo, un dispositivo con una resolución de 3 bits puede medir 8 valores posibles (²³), mientras que un dispositivo con una resolución de 6 bits puede medir 64 (²⁶) valores posibles (Figura 2). Una mayor resolución se traduce en mediciones que reflejan con mayor precisión la señal.

Figura 2: La precisión de un dispositivo DAQ se traduce en resolución; un dispositivo DAQ con una resolución de 6 bits proporciona 8 veces la cantidad de información (8 veces más precisa) que un dispositivo con una resolución de 3 bits. (Fuente de la imagen: NI)

Un determinado ADC se configurará para medir a través de un rango de entrada establecido, como ±10 voltios, y la resolución del dispositivo DAQ se aplica al rango total. Si se realiza una medición en un rango menor, por ejemplo ±2 voltios, el resultado es una medición con una fracción (en este caso, alrededor del 20%) de la resolución especificada del dispositivo DAQ (Figura 3). El uso de un dispositivo DAQ con rangos de entrada seleccionables puede resolver este problema. Los rangos de entrada habituales son ±10 voltios, ±5 voltios, ±1 voltios y ±0.2 voltios. Al escalar el rango de entrada para adaptarlo al rango de la señal, se obtiene una medición de mayor calidad.

Figura 3: El uso de un dispositivo DAQ con una resolución de 3 bits y un rango de ±10 voltios (líneas rojas a la izquierda y líneas de puntos amarillas en la parte superior e inferior del rango, respectivamente) para medir una señal de ±2 voltios (onda sinusoidal blanca) da lugar a una importante pérdida de precisión. (Fuente de la imagen: NI)

Velocidad de muestreo, Nyquist y sobremuestreo

La velocidad de muestreo es la velocidad a la que el ADC convierte la entrada analógica en datos digitales. La velocidad de muestreo y la resolución pueden estar inversamente correlacionadas. A menudo, solo es posible obtener mayores frecuencias de muestreo reduciendo los bits de resolución, ya que una mayor frecuencia permite que el ADC tenga menos tiempo para digitalizar la señal. Por ello, es importante optimizar la frecuencia de muestreo.

El teorema de muestreo de Nyquist es útil en este caso: Afirma que una tasa de muestreo, f_s, que supere el doble de la frecuencia máxima de la señal dará como resultado una medición precisa de la frecuencia de la señal original. Esto se llama la frecuencia de Nyquist, f_N. Para medir con precisión la forma y la frecuencia de la señal original, el teorema de Nyquist requiere que f_s sea de 5 a 10 veces la frecuencia máxima de la señal. La utilización de una frecuencia de muestreo superior a f_N se denomina sobremuestreo.

Además de la comprensión de f_N, el aliasing y el ghosting son retos que hay que afrontar a la hora de optimizar f_s. El aliasing es un efecto que provoca una distorsión en el espectro de una señal muestreada debido a que la frecuencia de muestreo es demasiado baja para capturar con precisión el contenido de alta frecuencia. El sobremuestreo puede eliminar el aliasing. El sobremuestreo también es útil para capturar bordes rápidos de la señal, eventos puntuales y transitorios. Sin embargo, si f_s es demasiado alto, puede producirse un fenómeno llamado ghosting durante el muestreo multiplexado.

A altas velocidades de muestreo multiplexadas, el tiempo de asentamiento de cada canal de entrada se convierte en un factor. El ghosting se produce cuando la velocidad de muestreo supera el tiempo de asentamiento del dispositivo DAQ. En ese momento, las señales de los canales adyacentes interfieren, lo que provoca efectos fantasma y mediciones inexactas (Figura 4).

Figura 4: A la izquierda, la tasa de muestreo es lo suficientemente baja como para permitir una adecuada estabilización entre las mediciones en los canales 0 (rojo) y 1 (azul). A la derecha, las imágenes fantasma se producen porque la frecuencia de muestreo es demasiado alta y el canal 0 está afectando a la medición del canal 1. (Fuente de la imagen: NI)

La frecuencia de muestreo efectiva de un dispositivo DAQ se ve afectada por la elección de una arquitectura simultánea o multiplexada. El muestreo simultáneo utiliza un ADC por canal de entrada y proporciona la frecuencia de muestreo completa en todos los canales, independientemente del número de canales (Figura 5).

El muestreo simultáneo permite adquirir varias muestras a la vez. Una arquitectura simultánea es relativamente cara e implica más componentes que pueden limitar el número de canales disponibles en un solo dispositivo DAQ. En una arquitectura multiplexada, se utiliza un multiplexor (mux) para compartir un único ADC entre todos los canales, reduciendo la tasa máxima disponible para cada canal. Las muestras se adquieren en serie con retrasos entre canales. Las arquitecturas multiplexadas cuestan menos y pueden dar lugar a un dispositivo DAQ con una mayor densidad de canales.

Figura 5: El muestreo simultáneo proporciona la velocidad de datos completa en todos los canales, mientras que en el muestreo multiplexado, la velocidad de muestreo completa se comparte entre todos los canales, lo que da lugar a una velocidad menor por canal. (Fuente de la imagen: NI)

Construir un sistema DAC compacto

El primer paso para construir un sistema DAC es seleccionar el chasis del CompactDAQ. Los chasis están disponibles con varios buses de comunicaciones, incluyendo PCI y PCI Express (PCIe), USB de alta velocidad, PXI y PXI Express (PXIe), y Ethernet 2.0, y desde una hasta 14 ranuras para los módulos de E/S de la serie C de NI. Por ejemplo, el 781156-01 tiene ocho ranuras y una interfaz USB 2.0 (Figura 6). Se pueden añadir tipos de medición y canales adicionales al sistema simplemente conectando módulos. Todos los módulos se detectan automáticamente y se sincronizan con el reloj del panel posterior del chasis.

Figura 6: El chasis del CompactDAQ 781156-01 tiene ocho ranuras y una interfaz USB 2.0 de alta velocidad. (Fuente de la imagen: NI)

El bus de comunicaciones es una parte importante de las especificaciones del chasis (Tabla 1). Los 60 megabits por segundo (Mbits/s) que proporciona el USB son adecuados para la mayoría de las aplicaciones, y el USB tiene una buena flexibilidad y portabilidad. Ethernet puede soportar distancias de cableado más largas y sistemas DAQ distribuidos en aplicaciones físicamente grandes. Los buses PCI y PCIe permiten que los dispositivos se conecten a una computadora de escritorio para el registro y análisis de datos. Los buses PXI y PXIe son similares a los PCI y PCIe, pero ofrecen una capacidad de sincronización superior, permitiendo la consolidación y comparación de grandes cantidades de datos.

Tabla 1: La selección del bus de comunicaciones del DAQ es una parte importante de la selección del chasis. El bus debe ajustarse a las velocidades de datos y distancias necesarias, así como a la necesidad de portabilidad. (Fuente de la imagen: NI)

Una vez seleccionado el chasis, los diseñadores pueden elegir entre más de 60 módulos de la Serie C para aplicaciones de medición, control y comunicación. Existen módulos de la Serie C que pueden conectarse a prácticamente cualquier sensor o bus y permiten realizar mediciones de alta precisión que satisfacen las exigencias de las aplicaciones de DAQ y control (Figura 7). Estos módulos intercambiables en caliente proporcionan un acondicionamiento de señales específico para las mediciones con el fin de filtrar el ruido y aislar los datos, la conversión de analógico a digital, además de una variedad de conectores de entrada.

Figura 7: Los módulos de la Serie C tienen un factor de forma común, pueden conectarse en caliente a cualquier chasis CompactDAQ y están disponibles con una variedad de conectores de entrada para adaptarse a las necesidades de diversas aplicaciones. (Fuente de la imagen: NI)

Los módulos de la Serie C pueden utilizarse para muchas funciones de DAQ y de control, incluyendo:

• Los módulos de entrada analógica tienen hasta 16 canales para la conectividad con sensores de tensión, corriente y comunes para medir la temperatura, el sonido, la tensión, la presión, la carga, la vibración, etc.
  • El NI 9239 es un módulo de entrada analógica de propósito general de cuatro canales. Cada canal proporciona un rango de medición de ±10 voltios con una resolución de 24 bits y emite 50 kilomuestras por segundo (kS/s) de datos a su máxima velocidad de muestreo.
• Los módulos de salida analógica están disponibles con 2, 4 y 16 canales y pueden utilizarse para generar señales de tensión y controlar actuadores industriales accionados por corriente
  • El NI 9263 es un módulo de salida analógica de cuatro canales que cuenta con calibración trazable del Instituto Nacional de Estándares y Pruebas (NIST), además de protección contra sobretensiones, protección contra cortocircuitos, velocidad de respuesta rápida y alta precisión.
• Los módulos de entrada y salida digital pueden utilizarse para generar y leer señales digitales. Los módulos de entrada digital están disponibles con 4, 6, 8, 16 y 32 canales, los de salida y bidireccionales se ofrecen con 8, 16 y 32 canales.
  • El NI 9423 es un módulo de entrada digital de ocho canales compatible con señales de 24 voltios y está diseñado para trabajar con niveles y señales lógicas industriales para la conexión directa a una matriz de interruptores industriales, transductores, sensores y otros dispositivos.
  • El NI 9472 es un módulo de salida digital de ocho canales compatible con señales de 6 a 30 voltios y puede conectarse directamente a una variedad de dispositivos industriales como actuadores, relés y motores.

Integración de software

El último paso en la construcción de un sistema DAQ compacto es el software. La interfaz de programación de aplicaciones (API) de NI-DAQmx funciona directamente con una variedad de opciones de desarrollo que incluyen LabVIEW, C, C# y Python. La API admite la operación sin problemas en todos los dispositivos DAQ de NI y minimiza los esfuerzos de re-desarrollo resultantes de las actualizaciones o cambios de hardware, e incluye el acceso a la documentación, archivos de ayuda y numerosos ejemplos de software listos para ejecutar para iniciar el desarrollo de aplicaciones.

Los desarrolladores pueden marcar el nivel de programación necesario para cada proyecto (Figura 8). El software de registro de datos FlexLogger proporciona un entorno de desarrollo de configuración intuitivo centrado en los sensores que puede integrarse con LabVIEW de NI para realizar análisis personalizados. El uso de LabVIEW admite la opción de configurar el hardware mediante paneles de análisis interactivos o un entorno de programación completo. Los desarrolladores avanzados pueden utilizar la mayoría de los lenguajes de programación para interactuar directamente con la API de DAQmx para la personalización y el rendimiento.

Figura 8: Un diagrama de flujo de selección de software DAQ muestra cómo los desarrolladores pueden marcar el nivel de programación que les gustaría hacer para cada proyecto. (Fuente de la imagen: NI)

Conclusión:

Diseñar un DAQ puede ser una tarea compleja si se parte de cero. Los sensores, el acondicionamiento de señales, el procesamiento, las E/S y el software deben cumplir con la tarea que se les encomienda y, al mismo tiempo, permitir modificaciones y actualizaciones con el tiempo. En lugar de unir los elementos, los desarrolladores pueden adoptar un enfoque modular para diseñar de forma rápida y eficaz un sistema DAQ compacto que incluya sensores, hardware y software, todo lo cual puede intercambiarse con el tiempo a medida que cambian los requisitos de la aplicación.

Además, el enfoque que se muestra en este artículo es compatible con varios buses de comunicaciones, incluidos PCI y PCIe, USB de alta velocidad, PXI y PXIe, y Ethernet 2.0 para satisfacer los requisitos específicos del sistema. Utiliza módulos intercambiables en caliente para proporcionar un acondicionamiento de señales específico para la medición con el fin de filtrar el ruido y aislar los datos, así como la conversión de analógico a digital, además de una selección de estilos de conectores de entrada. También es flexible y puede integrarse con diversos programas de medición, como LabVIEW, C, C# y Python.

Lectura recomendada

1. Cómo diseñar un sistema de adquisición de datos multicanal de uso general