Sistemas de Instrumentacion Riu Costa Rosell Ferrer Ramos Castro PDF

Preview

Summary

Download Sistemas de Instrumentacion Riu Costa Rosell Ferrer Ramos Castro PDF

Description

7

Prólogo

Prólogo Un sistema de instrumentación es una estructura compleja que agrupa un conjunto de instrumentos, un dispositivo o sistema en el que se mide, unas conexiones entre estos elementos y por último, y más importante, unos programas que se encargan de automatizar el proceso y de garantizar la repetibilidad de las medidas. El objetivo final, que no debe perderse de vista, del proceso de automatización de las medidas es el aumento de la calidad. Esta calidad puede entenderse desde el punto de vista del usuario del producto o del servicio que ha pasado por el proceso de prueba o desde el punto de vista del ingeniero que desarrolla, pone en marcha y mantiene el sistema de instrumentación que realiza este proceso de prueba, y que cada vez con mayor insistencia debe ajustarse a estándares internacionales como la norma ISO 9000. Este libro se ha escrito pensando especialmente en el tipo de sistemas que se encuentran en departamentos de investigación y/o desarrollo y para el control de la producción, especialmente en control de calidad. Los sistemas que consideramos en mayor profundidad son los construidos en base a instrumentos comerciales que se unen mediante un bus digital que permite la programación de las funciones de medida, el procesado de los datos y la presentación de los resultados, lo que da lugar a lo que se ha denominado instrumento virtual. Para no perder generalidad y para enmarcar adecuadamente los temas centrales del libro hemos dedicado los dos primeros capítulos a describir los objetivos, las estructuras y las funciones de los distintos tipos de sistemas de instrumentación existentes. El resto de capítulos se centran ya en sistemas construidos alrededor de buses estándar, en concreto IEEE-488 (conocido también por GPIB o HP-IB) y VXI, describiendo la arquitectura y funcionalidad de los mismos, las formas de programarlos y la forma genérica de las aplicaciones informáticas que facilitan la tarea de desarrollar los programas de control y que conocemos habitualmente como instrumentación virtual. La descripción de los buses estándar de interconexión de instrumentos que suelen hacer los textos de instrumentación es casi siempre muy somera (muchas veces por limitaciones de espacio), por lo que se limita a una descripción mecánica y eléctrica y a enumerar las características funcionales más relevantes. Aquel ingeniero interesado en conocer más profundamente el funcionamiento del sistema, ya sea como usuario avanzado o como diseñador de aplicaciones, no tiene otra alternativa que recurrir al texto de las normas. En el presente libro hemos intentado una descripción rigurosa pero didáctica de los estándares. Aquel que necesite asegurar que su diseño, ya sea un equipo o una aplicación informática, cumple con el estándar no tendrá otro remedio que acudir a él, pero el usuario avanzado que necesita comprender las razones del comportamiento de una determinada aplicación encontrará en este texto el material suficiente para ello o para acudir a la parte

© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.

8

Sistemas de instrumentación

del está ndar requerida con suficiente base como para leerlo con provecho. La explicación de los buses de interconexión de instrumentos, igual que la descripción de buses de microprocesador, es una tarea que no se presta a ser desarrollada en un aula, sino que es ideal para el laboratorio. Por este motivo hemos desarrollado en paralelo con este libro un curso de laboratorio de instrumentación virtual. Nuestra sugerencia para la docencia de esta materia es dedicar poco tiempo (4 a 6 horas) de pizarra para introducir los conceptos de sistemas de instrumentación expuestos aquí y dedicar mucho más tiempo (25 a 30 horas) al curso de laboratorio. Hecho de esta forma, el presente libro se deberá usar como material de referencia y como tal se ha desarrollado. Este texto se ha escrito pensando en estudiantes de ingeniería, de ciclo corto o largo, que estén cursando materias de instrumentación o cursos de laboratorio con instrumentos controlados de forma automática. También será útil a aquellos profesionales que trabajen con sistemas automáticos de medida y que deban desarrollar aplicaciones de bajo nivel, no soportadas o suministradas por los fabricantes de los equipos o del entorno informático de aplicación.

Los autores Septiembre de 1995

© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.

9

Índice

Índice

1 Automatización de las medidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

1.1 Objetivos de los sistemas de instrumentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Estructura general de los sistemas de instrumentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Sistemas dedicados y de bastidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12 13 14 15

2 Arquitectura de los sistemas de instrumentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.1 Estructura del hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Estructura del software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Sistema de direccionamiento de la señal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4 Tipos de instrumentos y buses de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3 Sistemas basados en el bus IEEE-488 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.1 Introducción histórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Aspectos eléctricos y mecá nicos (IEEE-488.1-1987) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Aspectos mecánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Aspectos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Transferencia de información . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Funciones de la interfase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Funciones bàsicas de transferencia: AH y SH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Funciones de emisión y recepción de información (T, L, TE, LE) . . . . . . . 3.4.3 Funciones que afectan al instrumento (DC, DT y RL) . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Funciones de petición de servicio (SR y PP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.5 Función de controlador (C) y codificación de las órdenes . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Códigos, formatos, protocolos y comandos comunes (IEEE-488.2-1992) . . . . . . . . . 3.5.1 Requerimientos de la interfase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Registro de estado y petición de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Sintaxis de los mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.4 Comandos comunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.5 Procedimientos comunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Realización de interfases IEEE-488.1 y .2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29 30 30 31 33 35 36 37 38 38 39 42 43 43 44 46 47 50

© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.

10

Sistemas de instrumentación

4 Sistemas basados en el bus VME y VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

4.1 Del VME al VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Especificaciones generales de la norma VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Descripción de los buses VXI y VME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 El bus VME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Extensión del bus VME, el bus VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Modos de funcionamiento y arquitecturas del bus VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Tipos de dispositivos en un sistema VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Recursos del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Protocolos de comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4 Arquitecturas de un sistema VXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53 54 54 55 56 59 59 61 62 63

5 Comandos de medida normalizados. SCPI, ADIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

5.1 Modelo de instrumento según la norma SCPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Sintaxis y estilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Comandos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Formato de datos: ADIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66 69 70 72

6 Instrumentación virtual. Programas de ayuda al diseño de sistemas de instrumentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

6.1 Clases de instrumentos virtuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Lenguajes de control para sistemas de instrumentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75 78

Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

Libros y artículos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Normas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Catálogos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83 84 84

© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.

83

Bibliografía

Bibliografía

Libros y artículos [BUC92]

BUCHLA, D.; MCLAHAN, W. Applied electronic instrumentation and measurement. New York, Macmillan, 1992.

[COO95]

COOMBS, C.F. JR. Electronic instrument handbook, 2a. Edición, Nueva York, McGraw-Hill, 1995.

[MAN94]

MANUEL, A.; SÁNCHEZ, F,; SÁNCHEZ, J. "Controladores GPIB. Características y prestaciones". Mundo electrónico, 249, junio-julio 1994, pp. 32-36.

[MER91]

MERCADÉ, J. "SCPI normalización de comandos y datos en instrumentación programable". Mundo electrónico, 220, septiembre 1991, pp. 62-67.

[SYD89]

SYDENHAM, P.H.; HANCOCK, N.H.; THORN, R. Introduction to measurement science and engineering. Chichester, Wiley, 1989.

[JOH94]

JOHNSON, G.W. LabVIEW Graphical programming. Practical Applications in Instrumentation and control, Nueva York, McGraw-Hill, 1994.

© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.

84

Sistemas de instrumentación

Normas

ANSI/IEEE Std 488.1-1987, IEEE Standard Digital Interface for Programmable Instrumentation The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 1988. ANSI/IEEE Std 488.2-1992, IEEE Standard Codes, Formats, Protocols and Common Commands; The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 1988, 1993. ANSI/IEEE Std 728-1982, IEEE Recomended Practice for Code and Format Conventions for use with ANSI/IEEE Std 488-1978; The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 1982. IEEE Std 1014-1987, IEEE Standard for a Verastile Backplane Bus:VMEbus; The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 1987. IEEE Std 1155-1992, IEEE Standard VME bus extensions for Instrumentation:VXI; The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 1992. Standard Commands for Programmable Instruments:SCPI, SCPI Consortium, La Mesa (CA), 1991.

Catálogos National Instruments, Instrumentation reference and catalogue 1995, Austin, Texas 1994. Intelligent Instrumentation, The handbook of personal computer instrumentation, Tucson, Arizona, 1994. Data Translation, 1993 Product Handbook: Data Acquisition and Image Procesing, Massachusetts, 1993. Keithley, Data acquisition & control, Taunton, MA, 1991. IOtech, Products for the IEEE-488 BUS, Cleveland, OH, 1992.

© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.

11

Automatización de las medidas

1 Automatización de las medidas La imagen del técnico o del científico, con bata blanca, manejando manualmente uno o varios instrumentos conectados mediante un amasijo de cables a una tarjeta de circuito impreso u otro dispositivo es una imagen ciertamente bucólica pero poco representativa de la realidad de la instrumentación electrónica actual. Con esto no queremos decir que esta imagen sea falsa, sino que los instrumentos que se usan de esta forma representan un porcentaje pequeño en el mercado global de la instrumentación. El concepto básico que subyace detrás del mundo de la instrumentación es el concepto de calidad. La calidad puede entenderse desde el punto de vista del usuario o desde el punto de vista del técnico de medida (test engineer). Desde el punto de vista del usuario, la calidad de un producto o servicio puede descomponerse en tres ámbitos objetivos: la fiabilidad, la facilidad de mantenimiento y la disponibilidad [SYD89]. La disponibilidad es una cuestión de capacidad de producción y canales de distribución. La facilidad de mantenimiento es fundamentalmente una cuestión de diseño del producto y del servicio post-venta. La fiabilidad es la capacidad del producto para realizar una determinada función durante un intervalo de tiempo especificado. En la fiabilidad de un producto o servicio intervienen numerosos factores que impiden que ésta pueda calcularse de forma simple. Por este motivo hay que recurrir a ensayos que nos permitan determinar si el producto es funcionalmente correcto y estimar estadísticamente la tasa de fallos. Estos ensayos consisten siempre en la aplicación de estímulos (eléctricos, mecánicos, entradas del usuario, etc.), la recogida de datos de las respuestas a los estímulos y la generación de los informes que documentan la prueba. Este proceso no puede realizarse de forma manual. El motivo no es únicamente la cantidad de productos que deben ensayarse sino el ensayo en sí mismo. Tomemos como ejemplo un sistema digital basado en microprocesador. Hacer una prueba funcional exhaustiva del sistema significaría aplicar la totalidad de las entradas distintas posibles para cada uno de los estados posibles del sistema. La generación de los estímulos (en este contexto se llaman vectores de prueba) debe hacerse de forma sistemática si no queremos correr el riesgo de olvidar partes importantes. La comparación de las respuestas recogidas con las respuestas esperadas no puede hacerse de forma manual, al menos en un tiempo razonable, y el informe no puede mecanografiarse a mano porque se tardaría semanas en escribirlo. Aunque en la práctica no se prueben todos los vectores posibles, sino solo algunos considerados significativos, el volumen de información que se maneja sólo se puede tratar de forma automática. Hay otros ejemplos donde la cantidad de información no es tan grande pero para poder asegurar la exactitud o la repetibilidad requerida en las pruebas es necesaria una sistematización de los ensayos que solo puede asegurarse, con un tiempo y un coste razonable, si se realiza de forma automática.

© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.

12

Sistemas de instrumentación

Desde el punto de vista del técnico, aumentar la calidad de una medida puede constituir simplemente en el aumento de la velocidad de adquisición o procesado de los datos, el aumento de la exactitud o la disminución del coste. Así deberíamos incluir aquellos sistemas destinados a adquirir conocimiento del mundo físico para contrastar hipótesis sobre el mismo, el uso de los cuales solo repercutirá en la calidad de un producto o servicio de forma muy indirecta, o bien los sistemas de control donde, tradicionalmente, se ha dado má s importancia a los algoritmos que se usaban para decidir las acciones a seguir que a la instrumentación usada para adquirir los datos con que se alimentan estos algoritmos.

1.1 Objetivos de los sistemas de instrumentación El objetivo básico de un sistema de instrumentación es la adquisición de información del mundo físico a la máxima velocidad posible, con la mayor exactitud que se pueda obtener y con el menor coste. Si esto se usa para adquirir conocimiento hablaremos de sistema de instrumentación o sistema de medida. Si esta adquisición de información se usa para determinar la respuesta a los ensayos a los que se somete un circuito integrado, un sistema electrónico o mecá nico, etc. hablaremos de sistemas automáticos de prueba (automatic test equipment:ATE). Históricamente el término inglés ATE se ha reservado a aquellos sistemas destinados a realizar ensayos en circuitos integrados, componentes electrónicos discretos, placas de circuito impreso o sistemas electrónicos completos, pero puede generalizarse a otros tipos de ensayo como térmicos o mecánicos. La diferencia estructural entre los sistemas de medida y los de prueba radicaría en la existencia en estos últimos de un subsistema destinado a aplicar excitaciones al elemento que se somete a ensayo. Este subsistema puede sustituirse, a nivel formal, por la existencia de una hipótesis sobre el comportamiento del sistema físico en el que se mide. Salvado este extremo ambos tipos de sistema admiten igual tratamiento, por lo que usaremos ambos términos de forma indistinta. Podemos definir los objetivos de los sistemas de instrumentación según el tipo de comprobación que realizan en el sistema bajo prueba (SBP): 1. Análisis de defectos: el objetivo de estos sistemas es la realización de ensayos en dispositivos o elementos complejos, para determinar si las medidas realizadas se corresponden con un conjunto de medidas de referencia realizadas en un elemento que se considera correcto. El objeto o sistema que se mide puede estar o no realizando su función habitual. Las medidas que se realizan no tienen por qué corresponder a parámetros de algún componente del sistema ni a salidas funcionales del mismo. Simplemente sirven para determinar si aquello que se mide es igual o distinto a lo que se esperaba obtener. El objetivo final es determinar si el objeto presenta defectos, ya sea de fabricación o ensamblaje o bien debidos al uso o manipulación. 2. Medida de parámetros:

en este caso se trata de obtener un conjunto de parámetros de un elemento del SBP. El elemento o dispositivo puede estar aislado del sistema o conectado a él. El sistema puede estar funcionando o no. Por ejemplo podemos medir el valor de un resistor o caracterizar el tiempo de subida de un elemento lógico al variar las condiciones de carga. La técnica de medida cambia si el elemento está aislado o insertado en un sistema [COO95].

© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.

Automatización de las medidas

13

3. Pruebas funcionales:

el obj...