Monitoraggio di 4 segnali analogici
IPIA - Sistemi
- Automazione e organizzazione della produzione - 2014


Monitoraggio ed elaborazione dei valori di 4 segnali tramite un sistema di elaborazione dati.
I campioni sono prelevati ogni 2 ore. Il sistema di acquisizione dati a 4 canali utilizza un unico convertitore A/D con dinamica d'ingresso compresa tra 0 e 5V.

I primi 2 segnali sono tensioni con ampiezze appartenenti a [-0.5V; 0.5V] e banda di 300Hz; il terzo segnale è in corrente con valori nell'intervallo [25mA; 75mA] e banda di 300Hz; il quarto infine ha valori di tensione nell'intervallo [0V; 5V] e banda di 400Hz. Il sistema deve inoltre segnalare, quando, il terzo segnale assume valori esterni all'intervallo [30mA; 70mA] per tre volte in un giorno.

1. Si rappresenti il sistema di acquisizione tramite uno schema blocchi, specificando la funzione e le caratteristiche di ogni singolo blocco;
2. Si dimensionino i circuiti di condizionamento dei segnali e si determini la frequenza di campionamento;
3. Si descriva l'interfaccia d'acquisizione dati;
4. Si illustri una soluzione per il controllo del segnale in corrente e si codifichi in un linguaggio a scelta, un segmento di programma.

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1.Schema blocchi del sistema d'acquisizione



Si osserva dallo schema blocchi che, tramite opportuni circuiti di condizionamento, i 4 segnali sono convertiti in una tensione compresa tra 0 e 5V, sono poi incanalati, per mezzo di un multiplexer analogico, sulla linea d'ingresso di un convertitore che digitalizza il segnale e lo invia al microcontrollore, questo infine, codifica i dati in modo da poterli visualizzare su un display a 4 cifre.

2.Circuiti di condizionamento dei segnali

Non avendo necessità di tempi ottimizzati si usa una sola frequenza di campionamento per tutti i segnali, calcolata in base alla banda più alta B=400Hz, e cioè: fc=2*B+aa=800+200=1KHz (con margine anti aliasing aa=200Hz);

I circuiti di condizionamento dei primi due segnali devono fornire in uscita un segnale linearmente proporzionale all'ingresso e variabile da 0 a 5V, quindi si scrive l'equazione: Vout=m·Vin+Vo (con m fattore d'amplificazione e Vo tensione iniziale). Si riconosce in quest'ultima, la relazione che regola l'uscita di un amplificatore differenziale: Vout=A(V2-V1). Con V1=costante infatti, si può scrivere: Vout=A·V2 + Vo (con Vo=-V1·A)



sostituendo i valori minimi e massimi si ottiene:

V2(min)=-0.5V; Vout(min)=0V;
V2(max)= 0.5V; Vout(max)=5V;

Vout(min)=V2(min)·A+Vo ==> 0=-0.5 ·A + Vo;
Vout(max)=V2(max)·A+Vo ==> 5= 0.5 ·A + Vo;

dal quale si ricava: A=5 e Vo=2.5V.

inoltre si ha: V1=-Vo/A=-0.5V

Sapendo che A=R2/R1, si ricava il valore di R1 ed R2:

ponendo R1=10KW si ha R2=50KW.

Il terzo segnale può essere trattato con il seguente circuito:



Il blocco R3; U1 converte la corrente del sensore in tensione con legge lineare:
DV1=V1(max)-V1(min)=R3·[Iin(max)-Iin(min)]=0.5·R3
Posto DV1=5V, si ha:
R3=DV/DI=100W
da cui: V1(max)=R1*I(max)=7.5V e V1(min)=R*I(min)=2.5V
Il partitore R1, R2 deve fornire una tensione Vp=2.5V all'ingresso invertente del differenziale affinché questo, sottraendola a V1, generi una tensione variabile da 0 a 5V.
Si ricavano R1 ed R2:
Vp=5·R2/(R1+R2) => R1=R2; posto R1=10KW ==>R2=10KW.
Ponendo R4=R5=10KΩ il guadagno dell'amplificatore differenziale è A=1, e si ha:
Vout=A(V1-Vp)=V1-2.5   ==> Vout Î [0V; 5V]

Il quarto segnale infine, avendo già un'ampiezza di 5V, è collegato direttamente al multiplexer.



3.Interfaccia d'acquisizione dati

L'acquisizione dei dati avviene attraverso: multiplatore, convertitore A/D e microcontrollore.

Il multiplatore legge i dati provenienti dagli stadi precedenti e li mette in sequenza:



La sequenza, come si è illustrato nello schema blocchi, è gestita dal microcontrollore ed ha un periodo T= 1/f1+1/f2+1/f3+1/f4 = 12.5ms.
Non conoscendo la natura dei segnali, la frequenza fc calcolata potrebbe essere insufficiente a fornire un'informazione valida, con tale fc infatti, si ottengono solo 4 campioni per ognuno dei primi tre segnali e 3 campioni del quarto.
Supponendo che siano necessari almeno 256 livelli di quantizzazione per tutti e 4 i segnali, si calcola la nuova frequenza di campionamento in base alla banda più ampia:

fc=f4*256= 102.4KHz

I primi tre segnali hanno M1=fc/f1=341 livelli di quantizzazione, di conseguenza il convertitore A/D ha una risoluzione di N=log2M1=9bit.
Il convertitore A/D ha l'uscita parallela collegata direttamente al microcontrollore che ha quindi il compito di sincronizzare, elaborare, memorizzare e codificare i dati, per la visualizzazione su diplay.

4.Controllo del segnale in corrente

Il controllo del segnale in corrente si può effettuare collegando il circuito di condizionamento relativo, ad uno degli ingressi analogici del microcontrollore, in tal modo, una sua routine elabora le letture e registra le volte in cui i valori escono dall'intervallo [30mA; 70mA], se le condizioni si verificano per tre volte in un giorno, un'uscita digitale attiva un led od emette un segnale acustico.
Un segmento di programma idoneo a svolgere tale compito, scritto in Wiring è il seguente:

// lettura dei dati in corrente e segnalazione con led quando questi escono dall'intervallo [30mA; 70mA] per tre volte in un giorno // inizializzazione parametri int PinIngrAnalogico = 0; // pin d'ingresso che legge il segnale int ValoreLetto = 0; // segnale letto int ValoreCorrente = 0; // valore in corrente corrispondente int PinLed = 13; unsigned long Conta24 = 0; // contatore 24 ore (1 giorno = 86,400,000 ms) int ContaFuoriInterv = 0; // conta le volte in cui la corrente esce fuori dall'intervallo void setup() { pinMode(PinLed,OUTPUT); Contatore = millis(); } void loop { ValoreLetto = analogRead (PinIngrAnalogico); ValoreCorrente = (ValoreLetto-2.5)/100; // I=(V-2.5)/100 if (ValoreCorrente .07) { ContaFuoriInterv=ContaFuoriInterv+1; if (ContaFuoriInterv==3) { digitalWrite(13,HIGH); // attiva led di segnalazione sul pin 13 Conta24=millis(); // azzera contatore } } if (millis()-Contatore==86400000) { // se passano 24 ore ContaFuoriInterv=0; // azzera contatore } }