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SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI

Introduzione

Con il termine sistema di acquisizione dati si intende l'insieme dei dispositivi che consentono di rilevare, memorizzare ed elaborare i valori assunti da grandezze fisiche; tale processo è seguito dalla distribuzione dati che permette di inviare i segnali elettrici dall'unità di elaborazione verso gli utilizzatori.

fig.1


SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI AD UN SOLO CANALE

fig. 2


RILEVAMENTO E CONDIZIONAMENTO DEL SEGNALE


SENSORI

Dispositivo sensibile in grado di rilevare le variazioni di una grandezza fisica (temperatura, umidità, ecc.) e di fornire in uscita una grandezza elettrica come resistenza, capacità o induttanza.


TRASDUTTORI

Dispositivo sensibile che trasforma una grandezza fisica in una grandezza elettrica (corrente, tensione); si suddividono in:
Analogici - presentano una caratteristica ingresso/uscita costituita da una funzione continua, che può assumere infiniti valori in un intervallo di tempo, compresi tra un valore massimo e un valore minimo.
Digitali - il segnale in uscita viene rappresentato con un codice binario e può assumere solo due valori "0" e "1".


CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO

E' necessario utilizzare circuiti di condizionamento la cui funzione è fondamentale per tutti i blocchi successivi della catena di acquisizione. Infatti un corretto condizionamento assicura un buon trasferimento dei segnali provenienti dai trasduttori al convertitore ed elimina i disturbi ad esso associati.
I circuiti di condizionamento possono svolgere le seguenti funzioni:
- Conversione corrente/tensione
- Amplificazione e traslazione di livello
- Filtraggio


Conversione Corrente/Tensione:
Il convertitore A/D è in grado di convertire solamente segnali analogici in tensione, per cui, quando il trasduttore fornisce in uscita un segnale in corrente è necessario effettuare la conversione da corrente a tensione. 
In genere, per l'operazione di conversione I/V vengono utilizzati circuiti con AO (amplificatore operazionale).


Amplificazione e Traslazione di Livello:
Il segnale da applicare al convertitore A/D deve essere adattato ai valori richiesti dall'ingresso del convertitore stesso e questa funzione viene svolta dal circuito di condizionamento mediante l'amplificazione ed, eventualmente, la traslazione di livello. 
La traslazione di livello consiste nell'adattare il range di tensione proveniente dall'uscita del trasduttore ai valori richiesti all'ingresso del convertitore.
Normalmente l'amplificatore è posto in prossimità del trasduttore per ridurre gli effetti del rumore che si sovrappone al segnale utile lungo la linea di collegamento tra trasduttore e convertitore A/D. 
In questo modo il segnale di rumore viene minimizzato rispetto al segnale utile amplificato prima di essere immesso sulla linea di collegamento.
Se il trasduttore fornisce una tensione di uscita non nulla anche quando la grandezza in ingresso ha il suo valore minimo è necessario annullare il livello della tensione di uscita, detta di offset, in modo da fornire agli stadi successivi un valore uguale a 0 V in corrispondenza del valore minimo della grandezza di ingresso.

Filtraggio:
Prima del circuito S/H si inserisce un filtro passa-basso con la funzione di limitare la banda di frequenza; questo filtro permette di eliminare i disturbi.

CIRCUITO S/H

Prima del convertitore, si inserisce il circuito Sample/Hold che ha 2 funzioni principali:
Fase di Sample (campionamento), dove vengono prelevati i valori della grandezza analogica negli istanti di tempo, che verranno chiamati campioni.
Fase di Hold (mantenimento), dove il circuito mantiene il valore del campione fino all'arrivo di quello successivo .
Ogni campione prelevato viene convertito in una serie di bit dal convertitore A/D.

fig.3



CONVERTITORE A/D

Il convertitore A/D ha il compito di trasformare il segnale analogico presente al suo ingresso in un segnale digitale a N bit.
Un convertitore A/D effettua quindi la quantizzazione di un segnale analogico, ovvero trasforma un determinato valore analogico del segnale in un codice binario. Il valore massimo della tensione d'ingresso, che non deve mai essere superato, è definito anche tensione di fondo scala Vfs.
Un convertitore funziona correttamente quando ad esso è applicato sia il segnale da convertire e sia la tensione continua e costante definita tensione di riferimento Vref.
Il valore massimo della Vref che può essere applicato ad un convertitore dipende dalle caratteristiche costruttive del dispositivo e coincide generalmente con la Vfs. La relazione che intercorre tra il valore del segnale analogico Vi, applicato all'ingresso di un convertitore A/D, e il corrispondente valore digitale del dato convertito è dato dalla relazione seguente:

dove N è il valore digitale (in formato decimale) del segnale convertito, "n" è il numero di bit del convertitore e Vref è la tensione di riferimento.


SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI MULTICANALE

fig.4

fig.5

 

MULTIPLEXER

Tutti i segnali provenienti dai vari trasduttori sono inviati a un dispositivo, indicato come multiplexer, che ha la funzione di effettuare la selezione del canale da fare pervenire all'elaboratore. Il MUX è un dispositivo con più ingressi e una sola uscita, in pratica in uscita viene inviato solamente uno dei segnali d'ingresso. La selezione del segnale da fare passare, e da ritrovare in uscita del MUX, avviene tramite ingressi di comando indicati come "data select". Occorre controllare l'ordine con il quale i segnali sono inviati e la durata del collegamento tra essi e l'elaboratore; questa funzione di temporizzazione e sincronismo, è svolta dal circuito di controllo comandato dal microprocessore.


SISTEMA CON MULTIPLEXER ANALOGICO (fig.4)

Quando è necessario rilevare più grandezze, il sistema di acquisizione diviene più complesso, composto da catene di acquisizione in parallelo e dipendenti una dalle altre almeno fino al filtro passa-basso; nella figura riportata, le frequenze di campionamento non sono elevate.
Questa soluzione prevede un unico circuito S/H ed un solo convertitore A/D, dal punto di vista economico è vantaggioso per la presenza di un solo blocco di campionamento e conversione; la selezione del canale è resa possibile dal multiplexer analogico (AMUX), schematizzato con un commutatore elettronico a più ingressi ed una sola uscita.


SISTEMA CON MULTIPLEXER DIGITALE (fig.5)

L'altra soluzione, molto usata, consiste nell'effettuare la conversione dei segnali prima della selezione, come riportato in figura.
In questo caso il MUX è digitale e sono previsti blocchi S/H e A/D per ogni canale.
Questa disposizione prevede che il campionamento dei segnali avvenga contemporaneamente; in questo modo è possibile rilevare i valori delle grandezze nei medesimi istanti. Ciò può essere necessario nel caso in cui le grandezze siano in qualche modo correlate, come per esempio temperatura o umidità. Il blocco di controllo comanda la conversione (campionamento) e la selezione.

 

DISPOSITIVO DI CONTROLLO

Tale dispositivo di controllo, costituito normalmente da circuiti di decodifica o da circuiti di temporizzazione, riceve i segnali dal Bus Indirizzi e di Controllo del microprocessore e genera i segnali di abilitazione per il convertitore e quello per il campionamento e mantenimento del S/H (fig.3).

 

CONCLUSIONE

Un sistema di acquisizione dati può essere utilizzato per esempio per automatizzare l'irrigazione di un terreno in una azienda agricola:

Supponiamo di installare in 8 punti, ad una certa profondità, dei sensori di umidità che, dopo un opportuno condizionamento, forniscono una tensione analogica compresa tra 0 volt per umidità pari al 5% e 5 volt per umidità pari al 40%. Il sistema acquisisce i dati dai sensori e ne calcola la media aritmetica. L'irrigazione viene avviata quando la media dei valori acquisiti scende sotto il 10% e disattivata dopo che il valore medio calcolato risulta pari o superiore al 25%.
L'acqua necessaria viene addotta da un pozzo dotato di un sensore di livello di tipo ON/OFF che ne segnala la disponibilità. Nel caso in cui il livello d'acqua nel pozzo sia basso, essa può essere prelevata da un grosso serbatoio, il cui livello deve essere ripristinato dopo ogni uso, non appena se ne rilevi la disponibilità nel pozzo.
La gestione del sistema prevede anche la visualizzazione (su un monitor o altro) dei valori istantanei di umidità e della loro media.
Di seguito sono riportati il disegno dell'impianto ed il relativo schema a blocchi: