Sistemi automatici di misura - Appunti completi: ADC, DAQ, GPIB, SCPI, Modbus

Sistemi Automatici di Misura

Appunti Universitari

L.G.S.

Indice

1 Introduzione Architettura HW SAD 1

1.1 Sensori e Misurando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Rumori ed Interferenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Blocco di condizionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.1 Amplificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.2 Filtraggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3.3 Linearizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3.4 Isolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.4 Connessione con la Sorgente del Sistema di Acquisizione . . . . . . . . . . 19

1.4.1 Definizione del piano di riferimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4.2 Categorie di sorgente del segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4.3 Modalità di grounding del sistema di misura . . . . . . . . . . . . . 20

1.4.4 Scelta della configurazione in funzione della sorgente . . . . . . . . 22

2 Segnali nei Sistemi di Misura 25

2.1 Definizione di segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.1 Tipologie di segnali per origine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2 Classificazione dei segnali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.1 Classificazione per dominio: analogico e digitale . . . . . . . . . . . 26

2.2.2 Parametri classici per la caratterizzazione di un segnale . . . . . . . 26

2.2.3 Classificazione per struttura: deterministico e stocastico . . . . . . 27

2.3 Classificazione delle misure su segnali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3.1 Misure su segnali digitali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3.2 Misure su segnali analogici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3 Conversione Analogico/Digitale 31

3.1 Campionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.1.1 Il problema del campionamento e l’aliasing . . . . . . . . . . . . . . 32

3.1.2 Esempi di campionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2 Richiami di teoria di Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.2.1 Il teorema di Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.2.2 Trasformata di Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3 Campionamento nel dominio della frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.3.1 Il teorema del campionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.3.2 Aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.3.3 Il teorema di Nyquist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.4 Quantizzazione e codifica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.4.1 Errore di quantizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.4.2 Rumore di quantizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.5 Errori negli ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.5.1 Numero effettivo di bit (ENOB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.6 Codifica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4 Schede di Acquisizione Dati (DAQ) 45

4.1 Interfaccia fisica: Terminal Block e cavo di connessione . . . . . . . . . . . 45

4.2 Architettura hardware della scheda DAQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.3 Sistemi di acquisizione a più canali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.3.1 Multiplexer analogico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.3.2 Campionamento simultaneo (sincrono) . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.3.3 Conversione parallela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.4 Amplificazione a guadagno variabile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.5 Parametri di configurazione di una scheda DAQ . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.5.1 Risoluzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.5.2 Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.5.3 Guadagno e Code Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5 Interfacciamento e Controllo della Strumentazione 53

5.1 Tipologie di strumenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.2 Sensori intelligenti e loop di corrente 4–20 mA . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.2.1 Il loop di corrente 4–20 mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.2.2 Smart sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.2.3 Il protocollo HART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.3 Strumenti Stand-Alone, Modulari e Sistemi Ibridi . . . . . . . . . . . . . . 56

5.4 Reti industriali e standard di interfacciamento . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.4.1 Classificazione degli standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.4.2 Criteri di scelta del bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.4.3 I principali bus di interfacciamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.5 Software per il sistema automatico di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6 Standard RS per Interfacciamento con Strumentazione di Misura 61

6.1 Lo standard RS-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.1.1 Cenni storici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.1.2 Caratteristiche della comunicazione seriale RS-232 . . . . . . . . . . 62

6.1.3 Livelli di tensione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.1.4 Connessione computer-periferica e linee di segnale . . . . . . . . . . 63

6.1.5 Handshake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6.2 Gli standard RS-485, RS-422 e RS-423 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6.2.1 Modalità di connessione RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6.2.2 Isolamento galvanico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

6.2.3 RS-422/423 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

6.3 Confronto tra gli standard RS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

6.4 Architettura hardware per la comunicazione seriale . . . . . . . . . . . . . 67

7 SCPI: Standard Commands for Programmable Instrumentation 69

7.1 Vantaggi del linguaggio SCPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

7.2 Il modello SCPI dello strumento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

7.3 Struttura dei comandi SCPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

7.3.1 Gerarchia e albero dei comandi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

7.3.2 Sintassi di comando e query . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

7.3.3 Regole di scrittura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

7.4 Concatenazione delle istruzioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

7.5 Tipi di argomento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

7.6 Esempio applicativo: trasferimento di forme d’onda da un oscilloscopio . . 73

8 Bus IEEE-488 (GPIB) 75

8.1 Architettura del sistema IEEE-488 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

8.1.1 Il ruolo dell’interfaccia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

8.1.2 Livelli funzionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

8.2 Periferiche e ruoli nel bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

8.2.1 System Controller e Controller in Charge . . . . . . . . . . . . . . . 77

8.3 Il Bus Cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

8.3.1 Modalità di connessione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

8.3.2 Il Data Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

8.3.3 Temporizzazione delle comunicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

8.3.4 Indirizzamento delle periferiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

8.4 Evoluzione dello standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

8.4.1 IEEE 488.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

8.4.2 IEEE 488.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

8.5 Realizzazione di un SAM tramite GPIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

8.5.1 Configurazione tramite MAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

8.6 GPIB e LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

8.6.1 Scenario applicativo 1: controllo multi-strumento . . . . . . . . . . 81

8.6.2 Blocchetti base in LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

8.6.3 Esempi di comandi GPIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

8.6.4 Esempio di interfacciamento in LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . 82

8.6.5 Scenario applicativo 2: misura della risposta in frequenza di un filtro 82

9 Modbus 85

9.1 Varianti del protocollo Modbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

9.2 Struttura del frame Modbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

9.2.1 ADU e PDU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

9.2.2 Il pacchetto Modbus: confronto RTU e ASCII . . . . . . . . . . . . 86

9.2.3 Indirizzamento e codici funzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

9.3 Codici funzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

9.4 Esempio di pacchetto RTU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

9.4.1 Richiesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

9.4.2 Risposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

9.5 Conversione in Modbus ASCII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

9.5.1 Struttura del pacchetto ASCII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

9.6 Modbus/TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

9.6.1 Struttura dell’ADU TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

9.6.2 L’header MBAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

9.6.3 Caratteristiche di Modbus/TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

9.7 Indirizzi Modbus di lettura e scrittura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

9.7.1 Address space e data model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

9.8 Meccanismo di comunicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

9.8.1 Comunicazione senza errori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

9.8.2 Comunicazione con errori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

9.9 Esempi di accesso ai dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

9.9.1 Lettura di un coil (FC 01) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

9.9.2 Lettura di un Holding Register (FC 03) . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Capitolo 1

Introduzione Architettura HW SAD

Un sistema di acquisizione dati (SAD) ha la funzione fondamentale di trasformare una

grandezza fisica in un formato che possa essere facilmente interpretato ed elaborato da un

sistema di elaborazione digitale.

I primi blocchi della catena operano nel mondo reale, che è per sua natura analogico,

effettuando di conseguenza un’acquisizione puramente analogica del fenomeno.

Figura 1.1: Architettura di un sistema di acquisizione dati

L’architettura tipica di un SAD si articola nei seguenti blocchi principali:

Sensore:

• È l’elemento primario che interfaccia il sistema con la grandezza fisica;

sebbene le acquisizioni di base siano analogiche, esistono oggi anche sensori con

un’uscita già digitale.

Sistema di condizionamento:

• Prepara e ottimizza il segnale analogico grezzo per

la fase successiva.

Sistema di conversione:

• Trasforma il segnale dal dominio analogico a quello

digitale.

Sistema di controllo:

• Elabora digitalmente le informazioni.

Attuatori:

• Intervengono direttamente sul processo fisico sulla base dei comandi

ricevuti e calcolati dal sistema di controllo.

1

1.1. Sensori e Misurando

Secondo l’approccio definito dalla normativa IEC TC65, un sensore è un apparato che,

operando in particolari condizioni, fornisce in uscita una grandezza adatta per la misura.

U

Questa grandezza è funzione di una grandezza fisica di interesse , che prende il nome

U M

di "Misurando".

I sensori possono essere stimolati

da fenomeni di natura diversa, tra

cui stimoli di tipo elettrico, termico,

meccanico, da radiazioni, chimico,

magnetico o ottico.

A seconda del fenomeno da misu-

rare, si distinguono svariate tipo-

logie di trasduttori. Ad esempio,

per effettuare una misura termica

la scelta ingegneristica ricade spes-

so sul confronto tra termocoppie e

termoresistenze. Oltre all’evidente Figura 1.2: Tipi di trasduttore per Fenomeno

minor costo delle prime, la differen-

za funzionale cardine risiede nell’uscita; una termocoppia genera spontaneamente una

forza elettromotrice (una tensione), mentre una termoresistenza presenta una variazione

ohmica che richiederà l’applicazione di un’energia esterna per poterne misurare la resistenza

risultante. Figura 1.3: Parametri di scelta di un sensore

La scelta del sensore più idoneo per un’applicazione si basa su tre ampie categorie di

parametri:

Fattori ambientali:

· Comprendono l’intervallo termico di lavoro, l’effetto dell’umidità,

la reazione alla corrosione, la dimensione, la protezione ai sovraccarichi (overrange), la

suscettibilità alle interferenze, il consumo di potenza, la robustezza meccanica e la capacità

di eseguire test di auto-diagnostica. In questa categoria rientra anche la delicata valutazione

ingegneristica tra il campo di misura operativo del dispositivo e il suo campo di sicurezza

tollerabile.

Fattori economici:

· Valutano parametri come il costo, la disponibilità commerciale e il

2

tempo di vita utile del dispositivo.

Caratteristiche metrologiche del sensore:

· Includono la sensibilità, l’intervallo

operativo (range), la stabilità, la ripetibilità, la linearità e l’errore, oltre alle risposte nel

tempo e in frequenza.

Campo di Misura vs. Campo di Sicurezza: Quando si sceglie un sensore, la

semplice valutazione del suo intervallo operativo nominale non è sufficiente per garantire

l’affidabilità del sistema nel mondo reale. È in questo contesto che il progettista deve

valutare attentamente la differenza tra il campo di misura e il campo di sicurezza (spesso

indicato con il termine inglese overrange limit o limite di sovraccarico).

• Il Campo di Misura (o Range Nominale) rappresenta l’intervallo di valori del misuran-

do (es. da 0 a 100 bar per un sensore di pressione) all’interno del quale il costruttore

garantisce che il sensore rispetti tutte le caratteristiche metrologiche dichiarate nei

datasheet (linearità, sensibilità, errore massimo, ripetibilità). All’interno di questo

range, il sensore lavora in condizioni ottimali e fornisce una traduzione fedele del

fenomeno fisico.

• Il Campo di Sicurezza rappresenta invece, il valore massimo della grandezza fisica

(o l’intervallo esteso) a cui il sensore può essere sottoposto senza subire danni fisici

permanenti o alterazioni irreversibili della sua calibrazione. Ad esempio, lo stesso

sensore con campo di misura fino a 100 bar potrebbe avere un campo di sicurezza

di 150 bar. Se il misurando supera i 100 bar ma resta sotto i 150 bar, il sensore

non fornirà una misura precisa (saturazione o forte non-linearità), ma una volta

che la pressione sarà tornata a livelli normali, il dispositivo riprenderà a funzionare

correttamente senza essersi starato.

Questa distinzione ha un impatto importante in fase di progettazione. In molte applicazioni

industriali, il fenomeno da misurare ha un valore nominale ben noto, ma è soggetto a

"picchi" o transitori anomali (es. il colpo d’ariete in una tubazione idraulica, o uno

spunto di corrente all’avvio di un motore). Se il progettista sceglie un sensore basandosi

esclusivamente sul campo di misura, dimensionandolo al pelo sulle variazioni normali del

processo, un transitorio imprevisto che superi il campo di sicurezza distruggerà il sensore o

ne sposterà lo zero, rendendo inaffidabili tutte le misure successive. D’altro canto, scegliere

un sensore con un campo di sicurezza enorme per "stare tranquilli" spesso significa dover

acquistare un dispositivo con un campo di misura molto più ampio del necessario, il che

comporta tipicamente una perdita di sensibilità e risoluzione sui piccoli segnali, oltre a un

aumento dei costi.

La scelta ottimale richiede quindi un compromesso ingegneristico: il sensore ideale deve

possedere un campo di misura in grado di mappare con la massima risoluzione possibile

le dinamiche standard del processo, affiancato da un campo di sicurezza sufficientemente

ampio da assorbire i transitori di guasto peggiori prevedibili per quello specifico impianto.

3

Figura 1.4: Rappresentazione dei 3 circuiti equivalenti utilizzati

Per interfacciare correttamente i sensori all’hardware, si fa riferimento a tre sostanziali

modelli elettrici:

• Il primo modello viene tipicamente usato da sensori come le termocoppie, le quali

producono un’uscita in tensione direttamente controllata dal misurando d’ingresso.

• Il secondo modello è invece dedicato a tutti quei trasduttori che restituiscono un’uscita

sotto forma di corrente elettrica.

• Il terzo modello raggruppa sensori passivi di tipo puramente capacitivo, induttivo o

resistivo. A differenza dei precedenti, questi componenti non offrono alcun contenuto

di energia. Richiedono pertanto una "misura indiretta": il progettista dovrà forzare

in ingresso una certa quantità di energia (ad esempio alimentando il ponte), la quale

verrà in seguito modulata dalle variazioni dei parametri del sensore stesso (C, o

L R).

Gli elementi preposti a forzare la corrente e a leggerne i risultati non sono quindi

componenti propri del sensore, ma vanno inclusi nell’hardware accessorio preposto a

"leggerlo".

N.B.

Per rendere lo schema più aderente al