Desarrollo de un sistema de Adquisición de datos inteligente
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1. Jose Antonio Soriano Garc a P gina 502. 1 de julio de 2013 Jose Antonio Soriano Garc a P gina 5 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Resumen Actualmente existen est ndares para el dise o de sistemas de adquisici n como es el Standard for Smart Transducers IEEE Std 1451 M s concretamente y para la adquisici n de datos de sensores anal gicos se define el IEEE Std 1451 4 Este documento da las bases para la utilizaci n de los Transducer Electronic Datasheet con adquisici n anal gica Los TEDS son datasheets electr nicos que se encuentran dentro del sensor y los cuales pueden ser recogidos mediante un programa externo sin necesidad de estar en formato f sico otorgando al sensor una habilidad de auto identificaci n que puede solventar alguno de los problemas m s comunes que los sensores anal gicos tienen como la p rdida de calibraci n o la dificultad de la identificaci n en una caja con numerosos sensores tambi n gracias a los TEDS se produce un ahorro no despreciable de la cantidad de papel y recursos naturales en general debidos a la impresi n de numerosos datasheets en formato f sico por p rdidas o recambios Este trabajo pretende profundizar en la norma IEEE 1451 4 y desarrollar un dise o electr nico basado en una memoria no vol til EEPROM para almacenar el contenido del TEDS de un sensor gen rico adem s de poder realizar la adquisici n media
3. Escola Polit cnica Superior d Enginyeria de Vilanova i la Geltr UNIVERSITAT POLIT CNICA DE CATALUNYA TREBALL FI DE GRAU T TOL Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 AUTOR JOSE ANTONIO SORIANO GARC A TITULACI ENGINYERIA ELECTRONICA INDUSTRIAL AUTOM TICA DIRECTOR JOAQU N DEL R O FERN NDEZ DEPARTAMENT ELECTR NICA DATA 01 07 2013 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 INDICE Icio Nene tert ee er rr rer roe rere errr Treen errr cae 6 VaN OSIE Ha E E E P E E A A A TEE ENE EE EEE E T 6 Palabras A 7 KE ees se 7 Cap tulo 15 Intro dUCCI N merda iii ii iii iii iii iii en 8 1 1 Objetivos del proyecto misc tiara 8 IA 0 eee eeeeneeceessneeeceesnateceessaeeecesssaeeeeesaeeeeessaeessessaeeseessaaeeeesssaeeseesaaeeeeenaas 8 Capitulo TEEB A491 Aros oro Pr OOO 9 2 1 Precedentes y necesidad air ar Ran euena ianari E EOL a 9 2 1 1TransducterElectronicDataSheet TEDS ccccccceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 10 2 1 2 Ejemplos de utilizaci n de IEEE 1451 4 ooo eeesceeeeesnneeeeesseeeseesneeeeeeenaeeeeees 11 2 2 Introducci n sensores plug amp play IEEE 1451 4 00ooocooooccccccooccncnononanonnnnnnnnnononnnnccinonanan nns 13 2 2 1 TEDS para Auto Identificaci n de SenSoOreS cooooocccnonoccccnnnoccnononnnancnnnnonnnnnnnananac nns 14 2 2 2 Int
4. 13 accelerometer vi Block Diagram File Edit View Project Operate Tools Window Help Po O n F e ba FP lof 15pt Application Font x IEAA Input Voltage Signals from 10 Accelerometer Convert to Voltage Output Data Acceleration g Waveform Chart m Volts per g Acea g Accelerometer Sensitivity mV g DBL Nominal Zero g Voltage Student Edition 4 P m Jose Antonio Soriano Garc a P gina 29 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 3 2 2 Measurement and Automation Explorer MAX Measurement amp Automation Explorer MAX es un programa creado por National Instruments para dar acceso a sus productos CAN DAQ FieldPoint GPIB IMAQ IVI Modular Instruments Motion NI Switch Executive VI Logger VISA y dispositivos VXI MAX es utilizado para e Configurar el hardware y software de National Instruments e Crear y editar canales tareas interfaces e instrumentos virtuales e Ejecutar los diagn sticos del sistema y los paneles de prueba e Ver dispositivos e instrumentos conectados al sistema e Actualizar el software de National Instruments 3 3 Incidencias durante el desarrollo 3 3 1 Problemas encontrados Durante el desarrollo del proyecto encontramos varios problemas a solucionar El m s relevante de ellos fue con la adquisici n del TEDS del sensor comercial el cual viene ya int
5. II EEN AN ed AS ICONS IND METI EZ YI Coa e T e o o MS nios E 20 A O ri m O J as om ies Ge oc o O OIO Su y E ES NP U Figura 21 Conexionado real de la memoria para su escritura Jose Antonio Soriano Garc a P gina 36 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 J34 CHOATA 6 14 CHRTN 6 14 Cabe destacar que es importante conectarlo a los pines y no directamente a los TEDS CONNECTIONS FOR ANALOG INPUT ya que el sistema reserva este ltimo para cuando un m dulo SCC es conectado as pues lo que pretendemos hacer es simular un m dulo SCC para realizar la escritura Como se puede observar no se necesita alimentaci n externa ni protecci n contra sobretensiones o corriente inversa ya que el SC 2350 genera 5V para las se ales digitales lo cual alimenta de manera suficiente el chip de la memoria Jose Antonio Soriano Garc a P gina 37 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 4 1 3 Lectura de la memoria Para realizar la lectura utilizaremos los sockets J26 J34 correspondiente al m dulo SCC instalado Para ello utilizaremos los TEDS CONNECTIONS FOR ANALOG INPUT situado justo encima del m dulo SCC en el cual haremos la adquisici n del sensor Figura 22 Muestra rea
6. Se podr a escribir una etiqueta para cada uno de los cables pero los investigadores se dieron cuenta que aunque los extremos de los cables terminan en una caja protectora a un lado del camino los ratones entran y comen las etiquetas Otra soluci n ser a escribir directamente sobre los cables pero los roedores tienen un gusto para el aislamiento del PVC y tambi n mordisquean en la escritura Cables de color podr a funcionar salvo que el color se pierde por el agua salada en el invierno en la autopista de Ohio por lo que rojo negro y blanco se convertir en blanco blanco y blanco en lo que el momento que el equipo regrese Las etiquetas del metal serian la soluci n pero la fabricaci n de las mismas consume tiempo y es costosa Para combatir el problema en Ohio han desarrollado un sistema 1451 4 que identifica autom ticamente el sensor que se encuentra al final de cada cable Incluso si no se pudiera instalar los nuevos sensores 1451 4 todav a puede ser capaz de ayudar El est ndar tambi n establece el concepto de TEDS virtual Permite a los sistemas de Jose Antonio Soriano Garc a P gina 11 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 adquisici n de datos descargar la informaci n de correcta calibraci n de los miles de millones de sensores anal gicos en lugares que no tiene chips TEDS incorporado mientras alguien haya creado un T
7. Soriano Garc a P gina 14 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Figura 2 Ejemplo de TEDS para aceler metro Manufacturer ID 43 Acme Accelerometer DIE an Basic TEDS A gt Standard and Extended TEDS fields will vary according to transducer type PET 2 2 2 Interfaz IEEE 1451 4 de Modo Mixto TEDS Clase I y Clase II Un sensor TEDS proporciona una interfaz que conserva tanto la se al anal gica tradicional ya sea una tensi n simple una corriente una impedancia un circuito de puente etc y a ade una interfaz digital para la transferencia de la informaci n almacenada en una EEPROM El est ndar define dos tipos de interfaces de modo mixto designadas como interfaces Clase 1 de dos cables y Clase 2 de m ltiples cables A TEDS Clase I La interfaz Clase 1 de dos cables funciona con transductores energizados con corriente constante o ICP Integrated Circuit Piezoelectric como aceler metros ICP es una marca registrada de PCB Piezotronics Inc Los transductores Clase 1 incluyen diodos o conmutadores anal gicos con los cuales es posible el multiplexado de la se al anal gica con la informaci n TEDS digital en el nico par de cables En sensores de Clase 1 la se al digital se comparte con la se al anal gica en las mismas l neas El sensor incluye la EEPROM y la circuiter a para la conmutaci n basada en una corriente d
8. Supply 5 To Connector J25 3 DAQ Device e SCC PWRO3 Figura 18 Conexionado SCC PWR03 1 SC 2345 2350 Carrier 5 Negative Lead to GND Screw Terminal 2 7 42 VDC Source User Supplied on SCC PWRO3 Connector J1 3 DAQ Device 6 Positive Lead to 5 V Screw Terminal 4 To Connector J24 on SCC PWRO3 Connector J1 Jose Antonio Soriano Garcia Pagina 34 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Para el desarrollo de nuestro proyecto se utilizar el SCC PWRO3 el cual convierte una tensi n de 7 a 42VDC en 5V para las se ales digitales y 15V para las anal gicas ste m dulo necesita de una fuente externa como se indica en la figura anterior se decidi por alimentar el SC 2350 con una voltaje de 20V Figura 19 Vista real del SCC PWR03 YA 2ndino bo euy Jose Antonio Soriano Garc a P gina 35 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 4 1 2 Escritura en la memoria Para hacer la escritura en la memoria se utilizar n los sockets J1 J8 que est n directamente conectados a los sockets J26 J32 a trav s de los pines 15 16 para el IO de la memoria protocolo 1 wire y el pin 6 para el GND A continuaci n se muestra la tabla de pines as como la conexi n realizada Tabla 3 Pines de los sockets J1 J8 Figura 20 Muestra real del socket J6 TO o e AR O Co a ae
9. TEDS describe los requerimientos de la interfaces de los sensores el ctricos como el hardware de toma de datos debe ser configurado para leer el sensor de manera correcta y le informa al sistema de adquisici n como escalar la tensi n de salida anal gica correctamente en las unidades que corresponden a la propiedad f sica que se mide como grados Celsius Haciendo esto autom ticamente de una sola vez un dispositivo compatible elimina la posibilidad de error humano en la transcripci n de la hoja de datos La parte central de 1451 4 es el uso de una memoria digital de solo lectura EEPROM de chips incorporados en el sensor anal gico que almacena la hoja de datos del sensor as como la informaci n que identifica al sensor como su tipo fabricante y un n mero de serie Cuando se conecta a un 1451 4 habilitada la adquisici n de datos el chip EEPROM transmite el TEDS al sistema de una manera similar a un mouse USB o la impresora identific ndose al PC despu s de ser conectada El est ndar sin embargo no determina donde el chip EEPROM se debe colocar en relaci n al sensor anal gico m s resistente El chip puede ser colocado en el interior de la cubierta del sensor en el conector del sensor que se conecta al equipo de toma de datos o incluso en el Jose Antonio Soriano Garc a P gina 10 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 interior
10. aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre un proceso automatizado Termopar transductor formado por la uni n de dos metales distintos que produce un voltaje efecto Seebeck que es funci n de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado punto caliente o uni n caliente o de medida y el otro denominado punto fr o o uni n fr a o de referencia Jose Antonio Soriano Garc a P gina 48 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Termistor sensor resistivo de temperatura Bit Unidad minima te rica de intercambio o almacenamiento de informaci n correspondiente a un d gito binario cero o uno que puede identificarse con un valor booleano falso o verdadero Protoboard tablero con orificios conectados el ctricamente entre s habitualmente siguiendo patrones de l neas en el cual se pueden insertar componentes electr nicos y cables para el armado y prototipado de circuitos electr nicos y sistemas similares 6 2 Acr nimos USB Universal Serial Bus PC Personal Computer PVC Policloruro de vinilo RTD resistance temperature detector ASCII American Standard Code for Information Interchange ROM read only memory GPIB General Purpose Instrumentation Bus VXI VME eXtensions for Instrumentation PXI PCI eXtensions for Instrumentation IMAQ Integral Maquinaria CAN Controller Are
11. del cable del sensor Esto permite que el sensor anal gico todav a sea colocado en ambientes peligrosos con el chip EEPROM colocado en ambientes menos peligrosos por lo general en el otro extremo del cable 2 1 2 Ejemplos de utilizaci n de IEEE 1451 4 Para ver lo poderoso que es el 1451 considerar el problema que enfrenta el estado de Ohio que tiene que construir y mantener carreteras que deben soportar condiciones extremas del invierno Para investigar la durabilidad de los materiales usados en la construcci n de carreteras el instituto de investigaci n de Ohio para el transporte y el ambiente en la universidad de Ohio en Atenas estudia el rendimiento de los pavimentos mediante la incorporaci n de sensores en los caminos Los sensores anal gicos miden la tensi n la carga y la deformaci n en el pavimento Debido a las condiciones ambientales y las limitaciones de costo los sistemas de adquisici n de datos y los sensores digitales son impracticables En cambio el equipo de Ohio decidi utilizar un sistema portable de adquisici n de datos que podr a ser transportado a cada uno de los sitios de monitorizaci n y conectado a los sensores embebidos Uno de los mayores desaf os del proyecto ocurre cuando el sistema portable llega un sitio Los sensores deben ser conectados al sistema para llevar a cabo una prueba pero con los sensores de la carretera c mo puede el equipo distinguir qu cable pertenece a los distintos sensores
12. 4 1 de julio de 2013 2 2 La estructura de los TEDS Independientemente de la interfaz utilizada IEEE 1451 4 define los TEDS como m ltiples secciones que juntas forman un completo TEDS La primera secci n son los Basic TEDS los cuales comprimen la informaci n para la identificaci n esencial T picamente un TEDS IEEE est ndar el cual define las propiedades importantes de un sensor particular seguir una estructura de Basic TEDS Opcionalmente este est ndar TEDS puede ser ampliado con una plantilla de calibraci n Dos bits en los datos de los TEDS indican el comienzo de la siguiente secci n Finalmente el final de secci n de los TEDS es utilizado a criterio del usuario La informaci n de los TEDS es programado dentro de un chip EEPROM tal y como muestra la siguiente figura Figura 5 Informaci n contenida en la EEPROM a Transducer with standard b Transducer with standard TEDS and calibration table TEDS Basic TEDS 64 bits Standard Template TEDS ID 25 to 39 ID 25 to 39 1 ID 8 bits Calibration TEDS Template ID 40 to 42 Jose Antonio Soriano Garcia Pagina 17 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 2 2 1 Basic TEDS Los primeros 64 bits de los transductores TEDS definen el Basic TEDS El Basic TEDS nicamente identifica el transductor e incluye el n mero de identificaci n del fabr
13. E1451 4 plantea sino que podr amos adentrarnos m s y pensar en la reducci n sistem tica de papel para los datasheet y todas las copias necesarias debido a p rdidas o mal uso de ellos De esta manera se nos plantea una nueva justificaci n que es la del respeto al medio ambiente y la utilizaci n de menos recursos naturales en un sector tan generalizado y con tanto uso como son los sensores anal gicos Como ltima justificaci n est la mejora en seguridad que un sensor auto reconocible puede brindar en entornos de seguridad cr tica como pueden ser los ensayos de fusi n fisi n nuclear o entornos en condiciones extremas Jose Antonio Soriano Garc a P gina 8 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Capitulo 2 IEEE 1451 4 2 1 Precedentes y necesidad Actualmente es dif cil encontrar alg n aspecto de nuestra vida en el que no haya alg n sensor cuidando de que todo act e como debe hacerlo estos peque os dispositivos nos ayudan de mil maneras algunas tan inocentes pero necesarias como si una nevera esta demasiada fr a otras tan importantes para nuestra salud y seguridad como si un reactor nuclear est operando de forma segura Sin embargo los sensores tienen un peque o problema escondido con demasiada facilidad fallan sin que ni siquiera ellos mismos sepan que ocurre as que pueden estar reportando que todo est bien cuando en rea
14. EDS virtual para el sensor Toda una base de datos de archivos de TEDS para decenas de millones de sensores se puede almacenar en un disco o en un servidor accesible a trav s de Internet Un n mero de identificaci n nico clasificado por el vendedor y modelo o n mero de serie identifica cada TEDS John Deere un importante fabricante de productos agr colas la construcci n la silvicultura tiene un centro de ingenier a en Waterloo lowa donde los ingenieros tienen previsto utilizar virtual TEDS para hacer frente a los sensores El centro utiliza sensores para medir elementos como la temperatura y la presi n dentro de las transmisiones de veh culos nuevos El centro de pruebas tiene como objetivo calibrar cada sensor en un laboratorio central y luego marcar con un n mero de identificaci n nico La informaci n de la calibraci n ser cargada en una base de datos en el formato TEDS Luego el sensor ser enviado a las instalaciones de prueba donde los t cnicos utilizar n el n mero de identificaci n para descargar la informaci n de calibraci n correspondiente Este ser a utilizado por 1451 4 para software y hardware hechos por National Instruments de Austin Texas para configurar autom ticamente los equipos de adquisici n de datos para el sensor mejorando la calidad de datos y reduciendo el n mero de pruebas M s all de TEDS y estas primeras aplicaciones en Ohio e lowa 1451 4 tiene un gran n mero de aplicaciones com
15. a Network DAQ Data acquisition PCB Printed Circuit Board Jose Antonio Soriano Garcia Pagina 49 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Cap tulo 7 Bibliograf a Bosch J Carmona M Instrumentaci n inteligente Instrumentaci n Electr nica Avanzada Barcelona Universitat de Barcelona Departament d Electronica 2012 Jones Charles H IEEE 1451 4 Smart Transducers Template Description Language Mayo 2004 Lee K Nat Inst of Stand amp Technol IEEE 1451 A standard in support of smart transducer networking Gaithersburg MD USA 2000 Nat Inst LabView User Manual USA April 2003 Song E Y Lee K Understanding IEEE 1451 Networked smart transducer interface standard What is a smart transducer Instrumentation amp Measurement Magazine IEEE Paginas 11 17 Volumen 11 Abril 2008 IEEE Std 1451 4 2004 Standard for A Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Mixed Mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet TEDS Formats Institute of Electrical and Electronics Engineers 2004 Data Sheet DS2431 1024 Bit 1 wire EEPROM Maxim Integrated Dallas Semiconductor edici n 2012 Data Sheet Signal Conditioning SC 2345 2350 Carrier User Manual National Instruments USA Julio 2007 URL http www ni com URL http www bksv es
16. al se realiza la adquisici n 3 Si se quiere recoger la informaci n de un virtual TEDS aqu se selecciona el archivo que lo contiene 4 La lista de errores que genera el c digo as como una explicaci n de la fuente de dicho error 5 Si la se ha realizado la adquisici n correctamente y sin errores aqu se mostrar toda la informaci n contenida en el TEDS GPrcwaeoacmereDs 1 Feld ave O TE Manufacturer ID 17 Version Number Vania a Serial Number E un O E Sensitivity E reference condition 1 000127E 2 i m s et Transducer weight 4 600512E 0 g Transducer Electrical Signal Type Voltage Sensor C Documents and Settings 3 5000008 1 He Reference temperature T ref 1 500000E 1 C is Calibration Initial TEO P Calibration Period Days O days Mo ELIO li teasurement location 1D 0 Jose Antonio Soriano Garc a P gina 44 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Cap tulo 5 Conclusiones 5 1 Resultados encontrados Los resultados encontrados han sido los esperados y la escritura del TEDS en la memoria ha funcionado de manera satisfactoria En nuestro caso en la memoria EEPROM se han grabado los datos del sensor 4508B003 el cual ya contiene un sensor TEDS de clase I en su interior sin embargo gracias a la escritura en la memoria hemos conseguido que ese sensor pueda ser adquirido mediante u
17. ar en los anexos del presente documento Como resumen tenemos la siguiente imagen correspondiente a la configuraci n del SC 2350 Figura 25 Configuraci n MAX para el SC 2350 Y Devices and Interfaces Measurement amp Automation Explorer Configuration Ay Create New B a My System w Data Neighborhood 7 Jg None He Y SC 2350 Configuration 2 48 Devices and Interfaces Devi y NI DAQmx Devices i i a 3 eer Devices cabled Device SCC Connector Block ID PX PXI System Unidentified VXI hard yor ea yone V E Y Serial amp Parallel gt 4 Scales if you Cabled Device Connector El Software You h N 1V1 Drivers Y r q z E a Remote Systems EN ee J1 SCC ACCO1 S 19 3 MAX q J2 None E 19 What Config J3 None 2 20 Add a 5 n 3 For mor 34 None 3 8 item Yo D 35 None 149 Me o O Submit fl J6 None 2 59 F a a e 6 Ww J7 None Y A W 9 rr 317 None 19 o a J18 None 19 Power TEDS Configured J21 5CC PWROS3 Podemos observar que hay la selecci n de m dulos SCC para cada uno de los sockets en nuestro caso tenemos el SCC ACCO1 seleccionado para la adquisici n de nuestro Jose Antonio Soriano Garc a P gina 41 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 aceler metro Abajo
18. arrollo del sistema de adquisici n 3 1 Hardware utilizado 3 1 1 NI SC 2350 El SC 2350 de National Instruments es un adaptador blindado para m dulos SCC de acondicionamiento de se ales que tiene conectores configurables para sensores inteligentes TEDS Clase II El NI SC 2350 el cual se cablea directamente a dispositivos DAQ de la Serie M y la Serie E puede ser energizado ya sea directamente desde el dispositivo DAQ o con una fuente de alimentaci n externa Figura 6 NI SC 2350 Jose Antonio Soriano Garc a P gina 20 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Las caracter sticas generales del dispositivo son las siguientes e M ltiples opciones de potencia incluyendo directamente desde el dispositivo DAQ e Adaptador blindado para m dulos SCC e Acepta hasta 16 canales de sensores inteligentes TEDS Clase II e Paquete peque o y port til e Acepta paneles personalizados para conectividad directa de sensor e Se cablea directamente a dispositivos DAQ de la Serie M y la Serie E Para m s informaci n se puede consultar el datasheet en los anexos del presente documento 3 1 2 Entrada de aceler metro SCC ACCO1 El SCC ACCO1 de National Instruments es un m dulo de acondicionamiento de se ales de 1 canal para aceler metro o micr fono compatible de tipo piezoel ctrico electr nico integrado IEPE Incluye un amplificador AC diferencia
19. cables que determinan el flujo de los datos en el programa Cualquiera de las partes del diagrama de un VI se denomina NODO En el lenguaje G las funciones y las estructuras son nodos elementales Son an logas a los operadores o librer as de funciones de los lenguajes convencionales Los controles e indicadores que se colocaron previamente en el Panel Frontal se materializan en el diagrama de bloques mediante los terminales Jose Antonio Soriano Garc a P gina 28 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 El diagrama de bloques se construye conectando los distintos objetos entre s como si de un circuito se tratara Los cables unen terminales de entrada y salida con los objetos correspondientes y por ellos fluyen los datos LabVIEW posee una extensa biblioteca de funciones entre ellas aritm ticas comparaciones conversiones funciones de entrada salida de an lisis etc Las estructuras similares a las declaraciones causales y a los bucles en lenguajes convencionales ejecutan el c digo que contienen de forma condicional o repetitiva bucle for while case Los cables son las trayectorias que siguen los datos desde su origen hasta su destino ya sea una funci n una estructura un terminal etc Cada cable tiene un color o un estilo diferente lo que diferencia unos tipos de datos de otros Figura 13 Diagrama de bloques de LabView
20. cooooocnnnncnnnnnnannncnnnccnnnnnnnnnnnnnnncnonnnnn non DD DD DD DD a aa as DD Dos 30 3 3 2 Soluci n plantea dais csciisas ceciieas cass IA TA aea sed iosaevad cans AD VEU DADE DU ap EN Eaa 30 Cap tulo 4 Desarrollo TEDS clase 2 eeesceeceessneeeeeseceeeeesaeeeeesaeeesessaceeseesaaeeseesnaeeeeees 32 4 1 CONEXIONAGO TISICO vir v c ceescn0naececesaderscnsnaececevedetasnsnnede cuvedetaanseiece AA ATADA EUA AA DA ARA DIA 32 4 1 2 Bscritura en E AAA O 36 Nic sansa csecesiuasssaneaesscesiees sees 38 4 2 Programaci n de la Memoria veras osorno oo 41 4 2 1 Dise o del programa de escritura en la memoria oococonnccccccnooccnnnononcnonononanoninnnnncnnnns 42 Jose Antonio Soriano Garc a P gina 3 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 4 2 1 Resumen programaci n lectura de la memoria ooooocccnnnoccccnnnocnnnnononnnnnonananocinnnnncn nno 44 Capitulo A TT 45 5 1 Resultados encontrados ecccceessecesseeeeseeeeeseeceeaeeseeeceeaeecseaeeeeaeeceeaeeceaeeseeeseeaeeseaeeneas 45 3 2 Mejoras PLOPUCStAS viii iii ici RERS RERS ceiba 46 Cap tulo 6 Glosario ains 48 6 1 Definiciones DO 48 O 2 ACLOMUMOS ss coches aE ES E SAAE E E EENE 49 Cap tulo 7 Bibliogr fia sccis en snosi ran nn Eaa E E S E N N RRNK SESS 50 Jose Antonio Soriano Garc a P gina 4 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4
21. e polarizaci n que por lo general es s lo una resistencia y un diodo o dos Jose Antonio Soriano Garc a P gina 15 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Figura 3 Interfaz de Dos Cables Clase 1 para Sensores ICP IEEE 1451 4 Plug and Play Sensor e Class 1 Interface Data Acquisition System Constant Current Powered Sensor AMPLIFIER SENSING ELBMENT B TEDS Clase II Para otro tipo de sensores la interfaz Clase 2 utiliza una conexi n diferente para las porciones anal gicas y digitales de la interfaz de modo mixto La entrada y salida anal gica del transductor se deja sin modificaciones y el circuito digital para TEDS es a adido en paralelo Esto permite la implementaci n de transductores plug and play con pr cticamente cualquier tipo de sensor o actuador incluyendo termopares RTDs termistores sensores de puente celdas electroqu micas y sensores de lazos de corriente de 4 20 mA Debido a las l neas separadas no es necesaria una conmutaci n ya que la se al digital TEDS y la medici n anal gica se env an por separado Figura 4 Interfaz Clase 2 con las dos v as por separado Bridge Sensor Data Acq System Excitation gt ae er Signal Excitation Output Digital VO Jose Antonio Soriano Garcia Pagina 16 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451
22. egrado Briiel amp Kjaer Accelerometer 4508 B003 Espec ficamente el problema vino dado porque la caja de adquisici n SC 2350 solamente era compatible con sensores TEDS de clase II y el sensor 4508 B003 es un sensor con TEDS clase I no se pudo encontrar ning n m todo ya que como se puede observar en el apartado 2 2 2 la clase II precisa de dos v as para la adquisici n anal gica y la digital 3 3 2 Soluci n planteada Al ser el nico sensor TEDS independientemente de la clase que se dispon a y ser el SC 2350 la nica caja de adquisici n que se pod a utilizar se plante un cambio de rumbo en el desarrollo que no necesariamente implicaba un cambio en los objetivos sino una simple ampliaci n de stos Jose Antonio Soriano Garc a P gina 30 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 As pues se procedi a la adaptaci n del sensor TEDS clase I en sensor TEDS clase II De esta forma se podria conseguir el objetivo principal desarrollar un sensor gen rico conforme a la norma IEEE 1451 4 y ademas poder acondicionar los sensores que disponen de TEDS clase 1 para su adquisici n en dispositivos solo compatibles con sensores TEDS clase 2 En el siguiente apartado se explicar en resumen la manera en la que esto se ha realizado usando el software y hardware anteriormente comentado Jose Antonio Soriano Garc a P gina 31 Desarroll
23. endo posible redes de sensores inteligentes y consiguiendo que los errores de calibraci n que nos afectan hoy en d a se conviertan en una cosa del pasado 2 2 Introducci n sensores plug amp play IEEE 1451 4 El IEEE 1451 4 es un est ndar que define c mo los transductores anal gicos pueden heredar habilidades de auto descripci n para operaci n plug and play simplificada El est ndar define una interfaz de modo mixto que conserva la se al del sensor anal gica tradicional pero a ade un enlace digital serial de bajo costo para tener acceso a una hoja de datos electr nica de transductores TEDS embebida en el sensor para auto identificaci n y auto descripci n Figura 1 Sensor Plug and Play con Informaci n TEDS Embebida Plug and Play Sensor Analog Signal Digital TEDS Transducer Mixed Mode Electronic Interface Data Sheet analog and digital TEDS Sensor manufacturer Model number Serial number Measurement range Calibration info User Info And more Jose Antonio Soriano Garcia Pagina 13 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Cuando se instala y configura un sistema DAQ tradicional se debe proporcionar manualmente par metros importantes del sensor como el rango la sensibilidad y los factores de escala para que el software use y escale adecuadamente los datos del sensor Un sistema equipad
24. ensor o en alg n punto del cable Jose Antonio Soriano Garc a P gina 47 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Capitulo 6 Glosario 6 1 Definiciones Calibraci n procedimiento de comparaci n entre lo que indica un instrumento y lo que debiera indicar de acuerdo a un patr n de referencia con valor conocido Magnitud Una magnitud f sica es un n mero o conjunto de n meros resultado de una medici n cuantitativa que asigna valores num ricos a algunas propiedades de un cuerpo o sistema f sico como la longitud o el rea Hardware todas las partes tangibles de un sistema inform tico cables gabinetes o cajas perif ricos de todo tipo y cualquier otro elemento f sico involucrado Software equipamiento l gico o soporte l gico de un sistema inform tico que comprende el conjunto de los componentes l gicos necesarios que hacen posible la realizaci n de tareas espec ficas Aceler metro sensor de movimiento Plug amp Play tecnolog a que permite a un dispositivo inform tico ser conectado a una computadora sin tener que configurar mediante jumpers o software espec fico no controladores proporcionado por el fabricante ni proporcionar par metros a sus controladores Transductor dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energ a de entrada en otra de diferente a la salida Actuador
25. er dentro del chip El n mero de registro es usado para tratar el dispositivo en un entorno de red multipunto 1 wire Figura 8 EEPROM DS 2431 Esta especialmente dise ada para la calibraci n de los sensores anal gicos incluida la norma IEEE 1451 4 Jose Antonio Soriano Garc a P gina 22 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Sus caracter sticas generales son las siguientes e 1024 Bits de memoria EEPROM particionada en 4 p ginas de 256 bits e P ginas de memoria individual pueden ser permanentemente protegidas de escritura o puestas en el modo de emulaci n escritura a 0 e Hist resis de conmutaci n y filtrado para optimizar el rendimiento en presencia de ruido e IEC 1000 4 2 Level 4 ESD Protection 8kV Contact 15kV Air typical e Escritura y lectura con un rango de voltaje de 2 8V a 5 25V en un margen de temperatura entre 40 C a 85 C e Comunicaci n con el Host con una se al digital simple de 15 4kbps o 125kbps usando 1 wire Protocol 3 1 4 Sensor Briiel amp Kjaer Accelerometer 4508 B003 MiniatureDeltaTron AccelerometersT ypes4508 es un aceler metro dise ado espec ficamente para soportar las condiciones adversas en los ensayos de la industria automotriz Una combinaci n de alta sensibilidad baja masa y peque as dimensiones lo hacen ideal para las mediciones de los modelos usados tales como el cu
26. erfaz IEEE 1451 4 de Modo Mixto TEDS Clase I y Clase I oooonnnnnnccnnnnnccccnn no 15 2 2 La estructura de los TEDS ooooonoccccnonoccccnnooacnnnononanocnnnrnnonnnnnn cnn nnnnn ono cnnnn anar nano n cnn S 17 221 Basic TEDS Ta a AD A DA A k eased ea ee te ates 18 2 3 Plantillas estandar para los TEDS unan bine no aaa ain ea a aaaea oia 19 Jose Antonio Soriano Garcia Pagina 2 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Capitulo 3 Desarrollo del sistema de adquisiciON ce eeseeeeeeeseeeeeessneeeeeeeeeeseesneeeeeenaeeeeees 20 S ard MI TO 20 A EENES CE2 39 O se cesta A dada dea a ada Tea Ta Te TA Ta DATA Dead A 20 3 1 2 Entrada de aceler metro SCC ACCO1 eeeeecccccecceeeeeeeenneeeeeeeeeeeeeennaeeeeeeeeeeeeenaaees 21 3 1 3 EEPROM A ase esisasseaasnaeesasasneeeeaee 22 3 1 4 Sensor Briiel amp Kjaer Accelerometer 4508 B003 ooooonocccocccccccccononcanonononoconnnanananonos 23 AN A A aa dado dada cea dada acadada E 25 D2 DOM Wal ULIMIT AGO aa ea aa aca acadan 26 E MSAD VAS A oes ccna hb cued ba ke Ste cued Pa ke ADs eae Tita tea dane dude oo dees taut eae nn Pome 26 3 2 2 Measurement and Automation Explorer MAX eccceesseceeceeeeeeeeeeneeeeeeeeeeeeenaaees 30 3 3 Incidencias durante el desarrollo eee eeeeeeeeeccceeeeeeeeenneeeeeeeeeeeeeennaeeeceeeeeeeeenanaeeeeeseeeeees 30 3 3 1 Problemas encontrados ooooocccccnnn
27. erpo del autom vil y las mediciones de potencia de tren as como para modelos de an lisis en aviones trenes y sat lites Figura 9 Aceler metro 4508 B003 Jose Antonio Soriano Garc a P gina 23 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Sus caracteristicas generales son e Carcasa de titanio robusta con conector de titanio integrada e Facilidad de instalaci n en diferentes objetos de prueba utilizando una selecci n de clips de montaje e Bajo peso dise o ThetaShear dando alta relaci n sensibilidad peso y muy baja sensibilidad a factores ambientales e Facilidad de montaje triaxial e Conexi n directa a la red el ctrica ICP compatible DeltaTron El principio DeltaTron permite el uso de cables de bajo costo Baja impedancia de salida de manera que los cables largos pueden ser utilizados e Armarios empotrados preamplificadores de bajo ruido con ASICs dan m s de 100 dB de rango din mico e Elecci n de las sensibilidades de l0mV ga1V g e ID TEDS Smart Transductor Interface IEEE P1451 4 tipos 4507 B y 4508 B e Sensibilidad 5 pC g e Temperatura de trabajo hasta 250 C 482 F Jose Antonio Soriano Garc a P gina 24 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 3 1 5 NI PCI 6221 La PCI 6221 de National Instruments es una tarj
28. eta de adquisici n de datos DAQ multifunci n de bajo costo de la Serie M optimizada para aplicaciones condicionadas por costos Las tarjetas de bajo costo de la Serie M ofrecen caracter sticas avanzadas como el controlador de sistema NI STC 2 el amplificador programable NI PGIA 2 y la tecnologia de calibraci n NI MCal para mejorar el rendimiento y la precisi n Figura 10 Tarjeta de adquisici n NI PCI 6221 Sus caracter sticas generales son Dos salidas anal gicas de 16 bits 833 kS s 24 E S digitales contadores de 32 bits Certificado de calibraci n trazable expedido por el NIST y m s de 70 opciones de acondicionamiento de se ales E S digital correlacionadas 8 l neas sincronizadas 1 MHz La tecnolog a de calibraci n NI MCal proporciona una mayor precisi n La Serie M de alta velocidad alcanza velocidades de muestreo 5 veces m s r pidas y la Serie M de alta precisi n obtiene 4 veces m s resoluci n Software controlador NI DAQmx y software interactivo NI LabVIEW SignalExpress LE para registro de datos Jose Antonio Soriano Garc a P gina 25 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 3 2 Software utilizado 3 2 1 LabView LabView es un entorno de desarrollo basado en programaci n gr fica orientado a desarrollar aplicaciones para instrumentaci n que integra una serie de librer as para comunicaci n con instr
29. icante Manufacturer ID en 14 bits el n mero del modelo 15 bits la letra de la versi n 5 bits con c digo de caracteres el n mero de versi n 6 bits y el n mero de serie del dispositivo 24 bits Estos datos ser n organizados conforme al formato descrito anteriormente Tabla 1 Esquema de un basic TEDS nen Allowable Range Manufacturer ID 17 16381 Model Number Serial Number 0 16777215 Version Letter 5 A datatype Oe El Manufacturer ID o n mero de identificaci n del fabricante es una enumeraci n de los fabricantes estandarizada Muchos IDs han sido asignados a los primeros fabricantes que usaron sta norma las futuras asignaciones ser n tratadas por el IEEE Estas asignaciones de ID est n tambi n disponibles en un archivo de texto en ASCII disponible desde el IEEE o proveedores de software El software puede usar este archivo para mostrar los nombres de los fabricantes Valores de 0 16 y 16382 16383 son reservados para usos especiales tales como listas de nodos en una configuraci n multi nodo y plantillas dise adas por los usuarios La aplicaci n y la asignaci n del resto de los TEDS b sicos se dejan a la discreci n del fabricante En concreto el n mero de modelo se puede definir como una enumeraci n del nombre de modelo de un fabricante dado Esta enumeraci n puede estar disponible desde los propios fabricantes como un archivo ASCII para aplicaciones de software Jose Antonio So
30. ita de la calibraci n de las hojas de datos del sensor Los sensores anal gicos t picamente tienen una tensi n de salida proporcional a la magnitud a medir independientemente de para cual fue dise ado y aunque los sensores sean f ciles de conectar a Jose Antonio Soriano Garc a P gina 9 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 un sistema que monitorea la tensi n de salida cuando un sensor de temperatura registra 2 5 volts tenemos que conocer c mo convertir esa tensi n a la temperatura real ya sea a 100 C 50 C o 2500 C Hasta ahora la nica manera de saber eso era mirando la hoja de datos del sensor datasheet un documento suministrado por el fabricante que detalla la forma de calibrar el sensor correctamente Alguien tiene que ingresar la informaci n de esta hoja de datos al sistema el cual normalmente es un PC Un solo error humano puede hacer que un sensor y toda la informaci n que adquiere sea in til Este fue el impulso para el est ndar 1451 4 desarrollado por el IEEE en conjunto con empresas como Aeptec Microsystems Bruel amp Kjaer Ballesta Tecnolog a y National Instruments Corp as como el Instituto Nacional de Est ndares y Tecnolog a y la Fuerza A rea de EE UU entre otros La norma se basa en el concepto de transductor electr nico de hoja de datos o TEDS 2 1 1TransducterElectronicDataSheet TEDS
31. l de los sockets TEDS CONNECTION FOR ANALOG INPUT CHDATA 2 10 CHDATA 3 11 CHRTN 2 10 CHRTN 3 11 TEDS CONNECT I El conexionado sera similar a la escritura sin embargo para ste caso si debe estar conectado el m dulo SCC De hecho se podr a realizar la lectura con el mismo conexionado utilizado para la escritura los pines antes mencionados pero en ese caso no ser a posible hacer simult neamente la adquisici n anal gica del sensor o al menos no ser a posible en el mismo socket Jose Antonio Soriano Garc a P gina 38 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Figura 23 Conexionado real para la lectura de la memoria Pagina 39 Jose Antonio Soriano Garcia Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Como en el presente proyecto se hara la lectura de la memoria de un sensor preestablecido a continuaci n se muestra el conexionado de todos los elementos Figura 24 Conexionado completo Jose Antonio Soriano Garc a P gina 40 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 4 2 Programacion de la memoria Antes de realizar cualquier tipo de programaci n se debe configurar el SC 2350 en el MAX la cual se pude encontrar en el manual de usuario que se puede consult
32. l y filtro Bessel de paso bajo de 3 polos 19 kHz Este m dulo tambi n ofrece una fuente de corriente constante de 4 mA para excitaci n del sensor Figura 7 SCC ACCO1 1 le 4 N JE PAT ICP Input 4 ma Current Excitation CE Made in U S A Jose Antonio Soriano Garc a P gina 21 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Las caracteristicas generales del dispositivo son las siguientes e Filtro Bessel de paso bajo de 3 polos 19 kHz e Fuente de excitaci n de 4 mA e Acondicionamiento IEPE para aceler metros y micr fonos e Terminales de tornillo removibles para una f cil conexi n de se ales Para m s informaci n se puede consultar el datasheet en los anexos del presente documento 3 1 3 EEPROM DS 2431 La DS2431 es una memoria EEPROM de 1024 bit con protocolo 1 Wire y un chip organizado como cuatro p ginas de memoria de 256 bits Los datos son escritos en un espacio de 8 bytes verificado y copiado en la memoria EEPROM Como caracter sticas especiales las cuatro p ginas de memoria pueden ser individualmente escritas en modo protegido o puestas dentro de EPROM emulationmode donde los bits solo pueden ser cambiados de estado 1 a 0 La DS2431 comunica a trav s del protocolo est ndar 1 wire Cada dispositivo tiene su propio n mero de registro inalterable y nico de 64 bits ROM que es imprimido mediante las
33. lidad la leche se ha convertido en helado o el reactor del sistema es inestable Ese peque o problema de los sensores anal gicos los m s usados hoy en d a es la calibraci n el proceso mediante el cual los datos de un sensor se ajustan a las condiciones reales Es en este momento cuando nos encontramos con una nueva soluci n la norma IEEE 1451 4 Esta norma se basa en la robustez y la rentabilidad garantizada de sensores an logos con la inteligencia de los equipos digitales Ahora qu significa eso en la pr ctica Un mont n de cosas uno de los aspectos m s importantes de 1451 4 es que ofrece una interfaz est ndar y el protocolo por el que un sensor puede describirse a trav s de una red Con el advenimiento y la adopci n de la red inteligente y los sensores inal mbricos la noci n de auto identificaci n de dispositivos puede parecer bastante elemental pero esto ha tomado m s de una d cada en llegar a los sensores anal gicos Los sensores anal gicos persisten en un mundo digital gracias a que son baratos extremadamente fiables y resistentes En pocas palabras ellos pueden medir una magnitud que da ar a o destruir a un sensor digital En ambientes peligrosos como el interior de un motor de un autom vil o en las profundidades de un aceite son a menudo los lugares en los que se requiere poner los sensores IEEE 1451 4 corrige una de las fuentes m s comunes de error del sensor informaci n incorrectamente transcr
34. n mero de la versi n Introduciremos todos los datos necesarios que se recogen en el datasheet del sensor en cuesti n Seleccionaremos el destino de la escritura en el presente caso ser para la DS2341 Seleccionaremos el m todo de escritura que puede ser Puerto Serie a trav s de un DAQmx o de un archivo donde previamente est recogido el TEDS Virtual TEDS Si hemos seleccionado DAQmx seleccionaremos el canal f sico que previamente habremos configurado en el MAX en el cual est conectada nuestra memoria Si hemos seleccionado Puerto Serie seleccionaremos el puerto serie correcto donde est instalada nuestra memoria Si deseamos grabar en la memoria un Virtual TEDS seleccionaremos el archivo donde se encuentra ubicado Por ltimo le daremos al bot n Write TEDS data para iniciar el proceso 10 La salida error out nos reportar cualquier error que se produzca durante el transcurso del proceso as como una explicaci n de dicho error Jose Antonio Soriano Garc a P gina 43 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 4 2 1 Resumen programaci n lectura de la memoria En el programa de lectura de la memoria se diferencian las siguientes partes 1 Selecci n del dispositivo por el cual se lee la memoria en este caso puede ser DAQmx Puerto Serie o Virtual TEDS 2 Selecci n del puerto serie o del canal del DAQmx por el cu
35. na caja de adquisici n que no admit a TEDS de clase I Figura 26 Resultado final de la adquisici n del sensor TEDS en LabView TEDS Information O AA A SRR SSeS Field Value al Manufacturer ID 17 Model Number 4508 Version Number 3 Version Letter B Serial Number 10015 Sensitivity reference condition 1 000127E 2 i mjs High pass cut off frequency F hp 1 748348E 1 Hz Sensitivity direction x y z x Transducer weight 4 600512E 0 g Transducer Electrical Signal Type Mapping Method AC or DC Coupling Polarity Sign Reference frequency F ref Reference temperature T ref Voltage Sensor Linear AC Positive 3 500000E 1 Hz 1 500000E 1 C Calibration Date 14 4 2005 Calibration Initials TED Calibration Period Days O days Measurement location ID Bil A E 0 User Data Test x En cualquier otro caso se podr a grabar el datasheet de cualquier sensor gen rico y al ser una memoria de peque as dimensiones se podr a instalar en la misma caja del sensor o en cualquier Jose Antonio Soriano Garc a P gina 45 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 punto del cable Adem s cabe decir que la memoria usada es una memoria de muy bajo coste Y si bien es cierto que la caja de adquisici n es un aparato costoso como se puede observar en los programas adjunt
36. nte un programa utilizando LabView y de esta forma demostrar que con cualquier tipo de sensor gen rico nos podemos beneficiar de la norma IEEE 1451 4 y las ventajas que ella conlleva Abstract Nowadays there are data acquisition design standards such as the Standard for Smart Transducers IEEE Std 1451 Specifically IEEE 1451 4 is defined in order to acquire the data of analog sensors This document shows the basis for using the Transducer Electronic Datasheet TEDS are electronic datasheets they are contained inside the sensors and could be acquired by external programs without being in physic format In fact a sensor with TEDS has the skill of self identification which can solve the most common problems in analog sensors such as the lack of calibration and the difficulty of the identification in a crowded box of sensors In addition TEDS saves lots of paper and natural resources in general because they do not need datasheet in physical format and actually fewer copies of these documents are needed Jose Antonio Soriano Garcia Pagina 6 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 This document wants to show the standard IEEE 1451 4 and develop an electronic design based on an EEPROM memory in order to upload TEDS information of a generic sensor Next it will make the acquisition with LabView Thus this project will demonst
37. nteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 En la siguiente figura se puede ver estos interfaces dentro de un entorno Windows Figura 11 Interfaz de LabView en Windows 7 NATIONAL INSTRUMENTS LabVIEW Student Edition A Panel Frontal Se trata de la interfaz grafica del VI con el usuario Permite la entrada procedente del usuario y salida de datos proporcionada por el programa Un panel frontal esta formado por una serie de botones pulsadores potenci metros gr ficos etc Las entradas tales como controles o botones sirven para introducir par metros al VI mientras que los indicadores como los gr ficos se emplean para mostrar los resultados producidos Jose Antonio Soriano Garc a P gina 27 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Figura 12 Panel frontal de LabView INSTRUMENTS LabVIEW Student Edition id NATIONAL NS B Diagrama de bloques El diagrama de bloques constituye el c digo fuente gr fico del VI En el diagrama de bloques es donde se realiza la implementaci n del programa del VI para controlar o realizar cualquier procesado de las entradas y salidas que se crearon en el panel frontal El diagrama de bloques se distinguen Terminales que representan los controles e indicadores del panel Funciones y SubVIs que realizan tareas espec ficas Estructuras y
38. o con sensores y actuadores IEEE 1451 4 puede automatizar este paso de configuraci n y tambi n incrementar la integridad y la fiabilidad generales del sistema Aunque existen otras tecnolog as de sensores inteligentes que tambi n ofrecen operaci n plug and play el IEEE 1451 4 es nico porque mantiene la salida anal gica del sensor Por lo tanto los transductores IEEE 1451 4 son compatibles con sistemas de legado que incluyen interfaces anal gicas tradicionales Y la simplicidad de implementaci n del IEEE 1451 4 tiene ventajas muy significativas y pragm ticas la f cil adaptaci n de los sensores existentes y un muy bajo riesgo de adopci n para los fabricantes de sensores Los dos componentes principales del est ndar IEEE 1451 4 son los TEDS y la interfaz de modo mixto 2 2 1 TEDS para Auto Identificaci n de Sensores El IEEE 1451 4 define un formato est ndar para datos de TEDS que son embebidos en transductores plug and play Como m nimo las TEDS IEEE 1451 4 contiene informaci n del fabricante n mero de modelo y n mero de serie del transductor La mayor a de las TEDS tambi n describen los atributos importantes del sensor o actuador como rango de medida sensibilidad coeficientes de temperatura e interfaz el ctrica En otras palabras el TEDS describe todo lo que se necesita saber para realizar una medida usando los sensores La siguiente figura muestra un ejemplo de un TEDS para un aceler metro Jose Antonio
39. o de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Cap tulo 4 Desarrollo TEDS clase 2 4 1 Conexionado f sico Para la realizaci n del conexionado se usar la memoria DS2431 con encapsulado TO 92 montada en una protoboard com n Figura 14 Conexionado del DS2431 SIDE VIEW FRONT VIEW 0 1 u 2 a 3 10 92 FRONT VIEW T amp R VERSION 1 Figura 15 Vista real de la EEPROM en la protoboard Jose Antonio Soriano Garcia Pagina 32 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 El primer paso consistir en alimentar la caja de adquisici n El SC 2350 cuenta con tres m dulos de alimentaci n posibles conectados al socket J21 Cada m dulo proporciona una alimentaci n digital de 5V y una anal gica de 15V Los tres tipos de m dulos existentes son e SCC PWRO1 Figura 16 Conexionado SCC PWRO01 SC 2345 2350 Carrier Positive Lead to 5 V Screw Terminal 5 VDC Power Supply User Supplied Optional on SCC PWRO1 Connector J1 DAQ Device Negative Lead to GND Screw Terminal J24 on SCC PWRO1 Connector J1 Jose Antonio Soriano Garcia Pagina 33 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 e SCC PWRO02 Figura 17 Conexionado SCC PWR02 1 SC 2345 2350 Carrier 4 To Connector J24 2 PS01 Power
40. o en la industria de la automoci n en la que una gran cantidad de sensores principalmente aceler metros son conectados para medir la deformaci n y el comportamiento de los coches durante choques o bajo condiciones extremas los sensores TEDS han permitido que la identificaci n de cada uno de esos sensores se realice con much sima facilidad y minimizando los posibles errores de calibraci n que pudieran tener esos ensayos tremendamente importantes para la seguridad de las personas La inteligencia digital permiti a los sensores anal gicos por 1451 ser f cilmente integrados en redes Sensores de red hoy en d a normalmente no pueden comunicarse con otros dispositivos o sistemas fuera de sus redes propietarias Pero junto con las normas IEEE que describen c mo los datos deben ser transmitidos a trav s de redes m viles y fijas ser a posible controlar f cilmente 1451 4 para sensores de cualquier red Esta integraci n puede abarcar una variedad de plataformas operativas para la adquisici n de datos almacenamiento y visualizaci n Jose Antonio Soriano Garc a P gina 12 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Hoy en d a se han creado un consorcio de m s de dos docenas de sensores instrumentaci n y los proveedores de software para promover la aplicaci n de IEEE 1451 4 Las nuevas tecnolog as digitales y comunicaci n incorporar n TEDS haci
41. os se podr a realizar la lectura escritura con un adaptador para 1 wire los cuales son bastante m s baratos La reconversi n de los actuales sensores anal gicos a sensores inteligentes implicar a un beneficio mucho mayor al coste que implica la conversi n no solamente en el aspecto econ mico ya que siempre que hay un problema de error en la calibraci n el costo de reparaci n es alto por no hablar de las posibles consecuencias que los fallos pudieran generar sino los beneficios en cuanto a la seguridad que generar an estos sensores Evidentemente en entornos como los ensayos en energ a nuclear o ensayos peligrosos es crucial el buen funcionamiento de los sensores y de las magnitudes que ellos recogen La realizaci n de la conversi n de un sensor gen rico a un sensor inteligente no es especialmente dificultosa y tampoco requiere de mucho tiempo Adem s ante la imposibilidad de utilizar una memoria EEPROM no hay que olvidar que la norma IEEE 1451 4 contempla la posibilidad de los TEDS Virtuales los cuales tambi n pueden ser creados con los programas adjuntos En conclusi n los beneficios que comporta la norma IEEE 1451 4 y las facilidades de su aplicaci n en sensores gen ricos hacen que la conversi n sea pr cticamente obligatoria ya que los incre bles beneficios y virtudes de la norma superan en mucho el posible costo de su aplicaci n 5 2 Mejoras propuestas Si bien es cierto que el resultado del proyecto ha
42. podemos seleccionar entre los tres tipos de m dulos para la alimentaci n de la caja que como hemos visto anteriormente en el presente caso ser el SCC PWRO3 Tambi n se puede seleccionar el cabled device connector en el que en ste caso seleccionaremos la PCI 6221 Por ltimo tenemos un panel con leds en el que se indicar n los sensores TEDS reconocidos por el MAX 4 2 1 Dise o del programa de escritura en la memoria La programaci n de la escritura sigue una estructura secuencial ae a a a A E a a a a a i S F P i i oe ee ee e y SS 5 Aly T A seg eg eet ae esa 1 Finale Device 8 Byte Transfer ee e pu A T aa x h f Hardware Serial TEDS 5 l Paare ae e ae ae a rr L 6l Da MS Als A t l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 3 Nee ee ee ee ee ee o e o ee e o e o i i ee Write TEDS Data I a AE f Jose Antonio Soriano Garc a P gina 42 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 de julio de 2013 Primero deberemos seleccionar la plantilla correspondiente al tipo de sensor que queremos grabar en la EEPROM Una vez hecho esto introduciremos los datos necesarios recogidos en el apartado 2 2 estructura de los TEDS como el n mero del fabricante manufacturer ID versi n
43. rate that with any kind of generic sensor we could also benefit of the IEEE 1451 4 advantages Palabras clave TEDS Datasheet TEEE Sensor Adquisici n Datos Transductor Memoria EEPROM LabView Keywords TEDS Datasheet TEEE Sensor Acquisition Data Transducer Memory EEPROM LabView Jose Antonio Soriano Garcia Pagina 7 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Capitulo 1 Introduccion 1 1 Objetivos del proyecto El objetivo del TFG es el desarrollo de un sensor gen rico conforme a la norma IEEE1451 4 su sistema de adquisici n de datos asociado basado en plataforma PC y tarjeta de adquisici n de datos compatible y el desarrollo de la aplicaci n software encargada de la comunicaci n escritura y lectura del Transducer Electronic DataSheet TEDS la adquisici n y presentaci n de los datos del sensor 1 2 Justificaci n Como veremos a continuaci n la norma IEEE1451 4 nos abre un abanico tremendo de posibilidades y soluciones a diversos problemas que los sensores anal gicos nos plantean As pues ste trabajo se justifica en dar un soporte a problemas encontrados tales como la descalibraci n de los sensores o la auto detecci n de ellos sin necesidad de ning n operario ni datasheet en formato f sico Pero no solo deber amos centrarnos en las soluciones directas que la norma IEE
44. riano Garc a P gina 18 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 2 3 Plantillas est ndar para los TEDS La norma define una colecci n de plantillas para las clases comunes de transductores que se enumeran en la siguiente tabla Plantillas de 25 a 39 son plantillas de tipo de transductor que contienen propiedades que son necesarias para los tipos espec ficos de transductores Plantillas 40 41 y 42 son plantillas de calibraci n y se pueden utilizar con una de las plantillas de tipo de transductor Tabla 2 Relaci n de plantillas para TEDS Template ID Name of Template 5 Accelerometer amp Force Transducer Type 126 Charge Amplifier w attached accelerometer ape Current Loop Output Sensors AC Linear Rotary Variable Differential Transformer LVDT RVDT Sensors Calibration Curve Pol ial Frequency Response Table Calibration Templates E E Concretamente en este trabajo se utilizar la plantilla numero 25 ya que se utilizar un aceler metro como veremos en el siguiente cap tulo Informaci n adicional y m s precisa sobre cada una de las plantillas ser a adida en los anexos as como una explicaci n de cada una de sus partes Jose Antonio Soriano Garc a P gina 19 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Cap tulo 3 Des
45. sido eficiente hay algunas mejoras que se podr an realizar con los instrumentos y los materiales correctos En ste proyecto se ha optado por el desarrollo de un sistema TEDS Clase II ya que los instrumentos de los que se dispon a no eran compatibles con TEDS Clase I sin embargo en un futuro se podr a pensar en el desarrollo de ste tipo de dispositivo el cual es algo m s complejo pero tiene la ventaja de no necesitar dos v as para la adquisici n digital y anal gica sino poder realizar ambas adquisiciones desde la misma v a v ase el apartado 2 2 2 Jose Antonio Soriano Garc a P gina 46 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos inteligente conforme a la norma IEEE Std 1451 4 1 de julio de 2013 Por otra parte es evidente que para realizar una conversi n de un sensor gen rico en un TEDS Clase I el procedimiento es m s invasivo teniendo que modificar el circuito del propio sensor para adaptarlo a la nueva norma Figura 27 Ejemplo de conexionado para el desarrollo de TEDS clase I ANALOG CURRENT SOURCE SHARED SIGNAL ve TP2 Ve TRS FUNCTION SUPPLY VOLTAGE SHARED POWER 10ka a s CIRCUITRY GND SHARED RETURN I D 7 D j ns ee O E AA IEEE 1451 4 COMPLIANT SENSOR PN y NDC70DIC 5V TP4 Por lo tanto sta conversi n solo se dar a en casos especiales en los que una memoria EEPROM exterior no sea del todo viable ya que no se pueda meter dentro de la caja del s
46. umentos electr nicos como GPIB o puerto serie con tarjetas de adquisici n de datos sistemas de adquisici n y acondicionamiento como VXI PXI o SCXI LabVIEW tambi n proporciona potentes herramientas que facilitan la depuraci n de los programas Los programas desarrollados mediante LabVIEW se denominan Instrumentos Virtuales VIs debido a que su apariencia y funcionamiento imitan los de un instrumento real No obstante poseen analog as con funciones creadas con los lenguajes de programaci n convencionales Los VIs tienen una interface interactiva de usuario tambi n llamada panel frontal ya que simula el panel de un instrumento f sico en el cual se pueden entrar datos usando el teclado o rat n y visualizar todos los resultados en la pantalla del PC La otra interface es la de c digo fuente donde los VIs reciben instrucciones de un diagrama de bloques construido en lenguaje G el cual suministra una soluci n gr fica a un problema de programaci n LabView a trav s de los VIs usa una estructura hereditaria y modular que permite construir programas por niveles y hacer subprogramas y rutinas para usarlos en otros programas Un VI contenido en otro VI es denominado subVI As pues cada VI de LabView cuenta con dos interfaces panel frontal y diagrama de bloques los cuales se explicar n con un poco m s de detalle a continuaci n Jose Antonio Soriano Garc a P gina 26 Desarrollo de un sistema de Adquisici n de datos i
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