CAPÍTULO IV

SISTEMAS DE CONTROLO E AQUISIÇÃO DE DADOS

4.1. INTRODUÇÃO

O aumento da complexidade dos dispositivos experimentais1,2 e o advento das Tecnologias da

Informação conduziram à introdução progressiva dos microprocessadores nos Laboratórios e

à utilização cada vez mais frequente dos sistemas computarizados de controlo e aquisição de

dados, adiante designados pelo acrónimo SCAD.

Estes sistemas possuem vantagens significativas:

Funcionam sem a presença de um operador, o que possibilita a monitorização

computarizada do funcionamento da experiência vinte e quatro horas por dia;

Possibilitam a execução de procedimentos pré-definidos em caso de detecção de avarias ou

falhas nos sistemas auxiliares de operação (energia, refrigeração, vácuo....);

Podem permitir a operação remota do dispositivo experimental através da Internet3;

Podem controlar e medir um número muito elevado (teoricamente infinito) de grandezas,

num intervalo de tempo muito pequeno4;

1 Vulgarmente designados por experiências ou máquinas. 2 Neste livro usaremos o termo “dispositivo experimental” para designar o hardware que constitui um sistema experimental (como, por exemplo, um acelerador de partículas ou um tokamak) e o termo “experiência” para designar um conjunto de actos experimentais realizados num dispositivo experimental. 3 A implementação deste procedimento exige cuidados adicionais no controlo de segurança e uma definição clara das operações que podem ser realizadas remotamente. 4 Por exemplo, uma experiência de plasmas de fusão pode funcionar durante alguns milisegundos (por exemplo, as descargas do ISTTOK duram 40 ms) ou centenas de segundos (por exemplo, as descargas do TRIAM-2M duram 7200 s, enquanto as descargas do ITER durarão apenas 300 s).

1

Permitem obter medidas com maior precisão da que é conseguida com sistemas analógicos;

Possibilitam o arquivo de toda a história da operação da experiência e o tratamento

posterior da parte dos dados experimentais que é relevante para a compreensão do

fenómeno que está a ser estudado.

O controlo envolve, geralmente, a segurança das pessoas e dos bens materiais

(instalações e componentes do próprio dispositivo experimental), a operação atempada e

eficiente de todas as componentes do dispositivo experimental e do sistema de controlo e

aquisição de dados e a alteração em tempo real de parâmetros de operação do dispositivo

experimental em função da evolução dos resultados que vão sendo medidos.5

A aquisição de dados inclui o condicionamento dos sinais fornecidos pelos sensores e

transdutores do dispositivo experimental e a sua digitalização, tratamento e arquivo numa

base de dados, distribuida ou central.

4.2. DESCRIÇÃO GERAL DE UM SISTEMA DE CONTROLO E AQUISIÇÃO DE

DADOS

Um sistema de controlo e aquisição de dados é composto por:

Um conjunto de microprocessadores, que podem ser computadores convencionais e/ou

placas dedicadas para o barramento (“bus”) a utilizar6 (Figura 4.1);

Figura 4.1 – Placa VME com um microprocessador Motorola 68030

5 O chamado controlo em tempo real ou controlo com retroacção. 6 Existem no Mercado microprocessadores Intel e Motorola implementados em placas para os barramentos mais utilizados em instrumentação digital.

2

Instrumentação de temporização, controlo e aquisição de dados (Figura 4.2);

Uma interface de ligação do computador à instrumentação (barramento);

Um ou mais bastidores (“crates”) (Figura 4.3);

Sistema operativo;

Software de operação.

Figura 4.2 – Módulo de aquisição de dados para o “bus” VME

Figura 4.3 – Bastidor do “bus” VME

3

4.3. ARQUITECTURA DE UM SISTEMA DE CONTROLO E AQUISIÇÃO DE

DADOS

Os primeiros sistemas de controlo e de aquisição de dados foram projectados numa filosofia

centralizadora, com um único computador central7 ligado a um ou mais bastidores, com uma

separação quase completa entre a instrumentação dedicada ao controlo e à aquisição dos

resultados experimentais (Figura 4.4).

Microprocessador

CRATEComputador

Crate

Crate

Osciloscópio

Aparelho 1

Aparelho 2

Figura 4.4 – Três configurações típicas de um sistema central de controlo e aquisição de dados, baseados num computador convencional (à esquerda), numa placa com um microprocessador (ao centro) e num osciloscópio

digital (à esquerda)

Os actuais sistemas de aquisição de dados são projectados numa filosofia

descentralizada, utilizando os progressos da Teoria da Informação. Os computadores e a

instrumentação de controlo e aquisição de dados estão distribuidos pelo “campus” do

dispositivo experimental e ligados por uma rede local (LAN, acrónimo de “Local Area

Network”), implementada através de cabos coaxiais ou de fibras ópticas e de protocolos de

comunicações (Figura 4.5). Cada conjunto de instrumentação de cálculo, temporização,

controlo e aquisição de dados existente num dado local do “campus” é designado por sub-

sistema ou nó do SCAD. Normalmente, existe um nó que exerce as funções de supervisor do

sistema de controlo e aquisição de dados. Este nó é designado por principal ou supervisor

(“master”). Esta arquitectura tem várias vantagens:

Permite o desenvolvimento autónomo de um novo nó, sem interferir com o funcionamento

do sistema global;

Uma avaria num nó não implica, na maioria dos casos, a paragem de todo o sistema;

A determinação dos resultados experimentais é mais rápida, dado os vários programas de

recolha da informação e os algoritmos de cálculo dos resultados podem correr em

simultâneo em vários computadores;

7 Especialmente vocacionado para o funcionamento em tempo real.

4

Permite a hierarquização do armazenamento de informação.

Figura 4.5 - Sistema distribuído de controlo e aquisição de dados

A nova geração de sistemas de aquisição de dados será, certamente, projectada numa

filosofia ainda mais descentralizada. Junto a cada componente do dispositivo experimental

existirão módulos dedicados de controlo e aquisição de dados, pelo que a transmissão de

informacão, através da rede será feita na forma digital, sem o recurso a barramentos de

instrumentação digital8. Esta arquitectura é especialmente indicada para os grandes

dispositivos experimentais que necessitam de controle em tempo real e de temporização

baseada em eventos. Esta filosofia de projecto introduz novas vantagens:

Reduz a influência do ruído electromagnético gerado pelo funcionamento do dispositivo

experimental nos sinais recolhidos pelos sensores e transdutores;

Aumenta a velocidade de transmissão da informação;

Permite um tratamento mais fácil da informação.

4.4. INSTRUMENTAÇÃO DE TEMPORIZAÇÃO

4.4.1. Introdução

A instrumentação de temporização fornece, a partir de um sinal de relógio de referência, os

sinais necessários para a operação atempada das componentes do dispositivo experimental e

do sistema de controlo e aquisição de dados.

8 As ligações anteriormente asseguradas pelo barramento serão asseguradas por fibras ópticas.

5

As primeiras unidades de temporização eram analógicas e usavam cabos coaxiais de

comprimentos diferentes e interruptores analógicos para definir as linhas de atraso entre os

sinais. Depois estas unidades passaram a usar a tecnologia digital.

4.4.2. Arquitectura de uma Unidade de Temporização

Basicamente, uma Unidade de Temporização (UT) inclui um relógio que gera marcas

temporais (“tics”) periódicas. Estes “tics” são fornecidos a um contador de tempo que indica

com precisão o valor de cada momento de amostragem. O momento de início da sequência de

digitalização é definido por um comparador de tempos que gera uma ordem de começo de

digitalização quando o contador de tempo atinge um valor pré-programado.

A UT permite também definir o número de amostras que se desejam obter incluindo

para isso um contador de “tics” que inicia a contagem por indicação do comparador de

tempos. Quando este contador atinge o número desejado de “tics” então inibe a geração de

mais “tics”, parando o processo de digitalização. Para definir um período de amostragem

superior ao período dos tics fornecidos pelo relógio pode ser utilizado um bloco multiplicador

do período de amostragem antes do contador do número de amostras.

As formas de onda geradas nos canais de saída podem ser ainda mais complexas

permitindo outras funções:

Contador detempo

Comparadorde tempos

Selecção doinstante de inícioda amostragem

Multiplicadordo período

deamostragem

Contador donº de

amostras

Selecção do períodode amostragem

Ordem de início de digitalização

Relógio

Canal desaída

ticsn tics

Sincronismo externo

Figura 4.6 - Diagrama de blocos de uma Unidade de Temporização

6

a) Conjuntos de impulsos de relógio de frequências múltiplas e sinais de início/fim

para a aquisição de dados;

b) Sinais gerados em momentos predefinidos para a sincronização da operação dos

sistemas associados;

c) Sequências de sinais de abertura de duração variável para funções de controlo.

A Unidade de Temporização pode incluir vários canais de saída sincronizados pelo

mesmo relógio de modo a controlar simultaneamente vários Gravadores de Transientes9. A

utilização de várias unidades de temporização geograficamente distribuídas num grande

dispositivo experimental permite um grande aumento no número de canais disponíveis. No

entanto os relógios locais de cada UT terão de ser sincronizados em relação a um relógio

global de modo a não haver perca de sincronismo. Esta operação pode ser efectuada pela

distribuição do valor do relógio global através de um barramento eléctrico ou óptico, por

comunicações radioeléctrica10, ou ópticas11.

4.5. INSTRUMENTAÇÃO DE CONTROLO

A instrumentação de controlo fornece, a partir de ficheiros digitais gerados num

microprocessador, os sinais eléctricos que vão definir os parâmetros de funcionamento de

várias componentes do dispositivo experimental.

Esta instrumentação de controlo é baseada em: (i) conversores digital-analógicos

(DAC, acrónimo de “Digital-to-Analog Converter”), componentes que tranformam um

ficheiro digital em sinais analógicos; e (ii) linhas digitais de controlo.

A instrumentação de controlo inclui:

Unidades de Conversão Digital-Analógica, as quais geram sinais analógicos a medida que

recebem a informação digital de um computador;

Geradores de Formas de Onda, unidades de conversão digital-analógica que, por terem

memória própria, podem funcionar sem ligação directa ao computador que gera a

informação digital;

Unidades de Entrada/Saida (Input/Output) (I/O), que geram e recebem sinais de estado dos

componentes (ligado ou desligado).

9 Ver secção 4.6. 10 Como, por exemplo, o GPS. 11 Como, por exemplo, um laser de comunicações.

7

4.6. INSTRUMENTAÇÃO DE AQUISIÇÃO DE DADOS

4.6.1. Introdução

A instrumentação de aquisição de dados é baseada em conversores analógico-digital (ADC,

acrónimo de “Analog-to-Digital Converter”) que procede à digitalização do sinal analógico de

entrada.

Existem dois tipos de unidades de aquisição de dados, Gravadores de Transientes e

Digitalizadores, consoante a unidade possua ou não memória própria. Nos Gravadores de

Transientes os ficheiros resultantes da digitalização dos sinais analógicos são armazenados

inicialmente na memória própria da unidade e posteriormente enviados para a memória local

do bastidor onde está inserida a unidade ou para a base de dados central do SCAD, Nos

Digitalizadores, o resultado da digitalização é enviado em tempo real, através do “bus” do

bastidor, para as memórias do SCAD.

4.6.2. Gravador de Transientes

Um Gravador de Transientes é caracterizado pelos seguintes parâmetros:

Número de canais de entrada, tipo de ligações de entrada (simples ou diferenciais), modo

de funcionamento (independente ou multiplexado) e tensões máxima e mínima que os

sinais analógicos podem ter;

Resolução (8, 12, 16 ou 20 bites);

Frequência máxima de amostragem (em Amostragens por Segundo)12;

Memória (em Bytes ou Palavras);

Tipo de relógio (interno ou externo);

Modo de disparo (por hardware, software ou externo).

O tipo de ligações, simples ou diferencial, que devemos usar tem a ver com o facto

do sinal analógico que pretendemos digitalizar estar referido, respectivamente, a “massa” do

sistema ou ser fluctuante. O modo de funcionamento, independente13 ou multiplexado14,

depende do tipo de aplicação pretendido e da filosofia de projecto adoptada tendo em

consideração a relação entre a frequência máxima de amostragem da unidade e do ADC.

Quando a primeira é muito menor que a segunda pode interessar que dois ou mais canais de

entrada partilhem a utilização do mesmo conversor analógico-digital.

12 Existem no mercado módulos com 1 GSPS. 13 Um modulo dificilmente tem mais de 16 canais independentes. 14 Existem módulos que possuem 64 canais multiplexados.

8

A memória de um gravador de transientes também pode estar organizada de uma

forma independente por canal de entrada ou por blocos que são partilhados por vários canais.

Esta memória pode ser estática ou dinâmica15.

A Figura 4.7 apresenta um diagrama de blocos de um gravador de transientes. A

sequência de operação desta unidade é a seguinte:

Transdutor ADC MEMÓRIA Interface ao

Computador

Controladordo

Gravador

Unidade deTemporização

Condicionamentodo sinal

Figura 4.7 - Diagrama de blocos de um gravador de transientes

(i) O sinal analógico proveniente do transdutor é previamente condicionado às

características de entrada do gravador (adaptando-o ao intervalo de valores máximos e

mínimos de tensão e à banda de frequências).

(ii) O sinal é digitalizado em instantes temporais definidos pelo controlador do

gravador, normalmente a frequência constante e durante um intervalo de tempo

predeterminado. A temporização (período de amostragem, início e fim do intervalo de

digitalização) do controlador pode ser gerada internamente ou fornecida do exterior por uma

unidade de temporização quando se deseja a sincronização com outros módulos.

(iii) Os valores digitalizados são sequencialmente escritos na memória do gravador

em posições que estão correlacionadas com os instantes temporais da digitalização. O

controlador encarrega-se de gerar os sinais necessários ao controlo de escrita da memória.

(iv) O controlador pode ser programado para sinalizar ao computador hospedeiro que

existem dados para transferir, ou então o computador interroga periodicamente o controlador

inquirindo a quantidade de dados digitalizados.

15 A memória dinâmica é usada quando o Gravador de Transientes possui muita memória e existem problemas de espaço para a sua implementação.

9

(v) Em ambos os casos o computador pode iniciar um ciclo de transferência de dados

da memória do gravador para a sua memória. Se a memória do gravador permitir a leitura e

escrita simultânea, o processo de digitalização pode continuar ininterrupto, caso contrário este

processo é interrompido pelo controlador do gravador que cede ao computador o controlo da

memória.

Os sinais quantificados devem resultar de uma digitalização com parâmetros de

conversão adequadamente definidos, de modo a garantir perdas desprezáveis de informação.

Esses parâmetros são a resolução mínima de discretização do valor do sinal, a frequência de

amostragem (a qual deve obedecer ao teorema de Nyquist), e outros parâmetros de avaliação

da integridade dos sinais, tais como, a não-linearidade, a relação sinal-ruído, a distorção

harmónica, a resposta impulsional, etc. Por fim, mas não menos importante, o valor temporal

do momento de amostragem deve ser determinado com exactidão para cada amostra,

especialmente quando se pretende correlacionar adequadamente vários parâmetros.

4.7. BARRAMENTOS

4.7.1. Introdução

A taxa de transmissão de dados num canal de comunicações está limitada a um valor máximo

que é característico da tecnologia utilizada para o transporte da informação. Podemos obter

taxas de transmissão superiores numa dada tecnologia colocando vários canais em paralelo

entre o emissor e o receptor. Deste modo a taxa de transmissão de dados total é a soma de

todas as parciais.

Se o suporte físico de transporte de dados de um canal de transmissão é uma linha

eléctrica então é designado por barramento série. Se são colocadas várias linhas em paralelo,

esse conjunto é designado por barramento paralelo. Em ambos os casos os dados são

decompostos na unidade de informação mínima (bite) e uma sequência ordenada desses bites

é enviada por cada linha. Cada bite é espaçado de um intervalo de tempo normalmente

constante.

Os barramentos paralelos estão limitados no número de linhas que se podem utilizar

devido aos erros que ocorrem numa linha resultantes das transições de estado simultâneas nas

várias linhas de transmissão a partir de uma dada frequência e que pioram com o aumento do

número de linhas. Assim o ganho resultante de colocar linhas em paralelo diminui face a uma

limitação tecnológica que é desprezável nos barramentos série, os quais, por isso, permitem

taxas de transferência por linha superiores. Actualmente as melhores performances obtêm-se

10

com barramentos mistos que são compostos por um número reduzido de barramentos série em

paralelo utilizando uma tecnologia que evita a influência mútua entre as linhas.

4.7.2. Barramentos de instrumentação digital

Os barramentos mais usados em instrumentação digital são:

RS-232 (usado na ligação dos computadores aos seus periféricos);

GP-IB (usado no controlo de instrumentação laboratorial);

CAMAC (utilizado nas grandes experiências de Física dos anos 70 e 80);

VME (usado nos anos 90);

VXI (variante do VME com melhor blindagem electromagnética);

PCI (compatível com os Computadores Pessoais com processadores Intel);

FASTBUS (usado em Física das Altas Energias).

As diferenças entre estes barramentos resultam de:

o Diferentes velocidades de transmissão de informação (Mbits/segundo);

o Dimensões dos módulos;

o Acesso à norma;

o Tipo de transmissão da informação (sincrono ou assincrono; série ou paralelo);

o Dimensão máxima das Palavras

O RS-232 é um barramento série usado, principalmente, na ligação de computadores

(CE) aos seus periféricos (TE), e que permite a ligação a cada porto de um único dispositivo

ao computador.

O GP-IB (IEEE-488) é um barramento paralelo que foi desenvolvido para

ultrapassar as limitações do RS-232 em aplicações de teste e medida. Ainda hoje é muito

usado nos Laboratórios quando pretendemos controlar, automaticamente, a operação de

instrumentação clássica até um máximo de 32 equipamentos: por exemplo, osciloscópios,

multímetros, geradores de sinais, fontes de alimentação e analisadores espectrais. Este

barramento permite a transferência de palavras de 8 bites, com uma taxa máxima de 1MB/s.

O CAMAC (acrónimo de “Computer Automated Measurement And Control”) é um

barramento sincrono e paralelo, que permite a transferência de dados de 24 bites, com uma

banda passante de 3 MB/s. Este barramento foi muito utilizado nos anos sessenta e setenta do

século passado.

O VME (acrónimo de “VERSA Module Eurocards”) é um barramento paralelo e

assincrono que permite a co-existência de vários microprocessadores e a transferência de

11

dados de 8, 16 ou 32 bites, com uma taxa máxima de 40 a 320 MB/s, dependente da variante

do VME. Este barramento foi muito usado desde os anos oitenta noventa até a actualidade.

O VXI (acrónimo de “VMEbus eXtensions for Instrumentation”) é um barramento

projectado a partir do VME para aplicações computarizadas de teste e medida, através da

adição de sinais para temporização precisa, possibilidade de sincronismo entre os vários

módulos ligados ao barramento e a gestão integrada de recursos.

O PCI é um barramento paralelo e síncrono, desenvolvido inicialmente para aspectos

de multimédia, placas gráficas, controladores de discos e de placas de rede em computadores

pessoais. Este barramento permite a transferência de dados de 32 ou 64 bites, com uma taxa

máxima de 133 MB/s.

O PXI (acrónimo de “PCIbus with eXtensions for Instrumentation”) é um barramento

desenvolvido a partir do PCI, com algumas características mais adequadas para

instrumentação: (i) existência de um relógio de referência de 10 MHz; (ii) existência de linhas

de disparo que permitem iniciar e finalisar as medições em momentos específicos e

sincronisar as medidas realizadas por dois ou mais módulos; (iii) existência de fichas

adicionais que possibilitam a passagem entre módulos de sinais digitais e analógicos de até 42

Volts.

4.8. SISTEMAS OPERATIVOS

Os sistemas operativos mais adequados para a utilização de instrumentação digital são:

OS-9

Vx-Work

Linux

RT Linux

Solaris

Os sistemas operativos OS-9 e Vx-Works foram muito usados na operação dos sistemas

de controlo e aquisição de dados baseados nos microprocessadores da família 68000 da

Motorola.

Actualmente, o Linux e o RT-Linux são mais usados. Tratam-se de duas versões do

UNIX especialmente adequadas para teste e medida, sendo o RT-Linux particularmente

adequado para a operação em tempo real.

O Solaris é o sistema operativos dos SCADs baseados em estações de trabalho da “SUN

Computers”.

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4.9. SOFTWARE

Na implementação de um sistema de aquisição de dados podemos considerar três níveis de

software:

• Software de muito baixo nível, desenvolvido, em Assembler ou C, pelos projectistas dos

módulos para a definição das suas funções e dos modos de operação;

• Software para implementação de cada módulo no sistema de controlo e aquisição de dados.

Este software é, normalmente, desenvolvido pelos autores do SCAD, utilizando as

linguagens C, C++ e Pascal;

• Software para utilização do SAD na aplicação concreta. Este software é, normalmente,

desenvolvido pelo utilizador, na linguagem mais adequada para a aplicação concreta e aos

seus conhecimentos de informatica (Fortran, C, DADISP, IDL, Mathematica,…..)

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