Os sistemas de aquisição são responsáveis pela ligação entre o ambiente exterior (mundo analógico) e os sistemas digitais, geralmente apresentados na forma de sistemas embebidos, no controlo e monitorização de processos industriais. Estes sistemas integram as potencialidades e flexibilidade de um sistema embebido, pelo
que a sua configuração deve ser feita através da combinação dos requisitos da apli- cação com o hardware e software apropriado, de modo a ser utilizado eficazmente. Os elementos básicos de um sistema de aquisição são:
• Transdutores - quantificam a grandeza física a medir num sinal elétrico; • Acondicionamento de sinal - trata o sinal proveniente do mundo exterior
de acordo com as características e especificações do hardware de aquisição de sinal;
• hardware de aquisição de sinal - é o core do sistema pois faz a interface entre o mundo analógico com o digital através da utilização de conversores analógico-digitais. Para além disto, pode executar vários procedimentos, como a atuação direta através dos sinais analógicos gerados, o envio dos dados para um PC onde está a aplicação, o processamento dos dados por parte de um sistema embebido e posterior atuação através de conversores digital-analógicos;
• Aplicação de monitorização/controlo - é responsável pela execução das tarefas no ambiente em que está inserida, de acordo com as especificações e objetivos estipulados.
A empresa de referência no domínio de sistemas de aquisição para fins académi- cos ou industriais é a National Instruments pelo que possui um maior número e variedade de oferta deste tipo de sistemas. A gama de produtos que a NI oferece explora as potencialidades de uma ferramenta de programação gráfica, o LabView, que permite desenvolver sistemas com maior rapidez, automatizar várias medições e tomar decisões baseadas nos dados adquiridos.
2.5.1
Transdutores
A aquisição de dados começa com a quantificação de um fenómeno físico ou elétrico como, a temperatura de uma sala, a intensidade luminosa de uma luz ou a força aplicada a um objeto. Um transdutor converte um certo fenómeno num sinal elétrico mensurável na forma de tensão, corrente, resistência ou noutra grandeza elétrica que varia conforme o fenómeno exterior. Desde modo, estes dispositivos permitem a análise de certas grandezas ao longo do tempo.
2.5.2
Acondicionamento de Sinal
Na maioria dos casos, o sinal de saída proveniente dos transdutores é muito di- fícil (e.g., presença ambientes ruidosos) ou muito perigoso (e.g., rede elétrica) de medir diretamente com um dispositivo de aquisição, podendo resultar em leituras imprecisas e potencialmente perigosas. Por isso, de maneira a garantir precisão, exatidão, e segurança são necessários os circuitos de acondicionamento de sinal. Estes circuitos passam principalmente, pela amplificação, atenuação, filtragem, isolação e excitação com o intuito de tratar o sinal de saída dos transdutores no formato adequado para o hardware de aquisição de sinal.
2.5.3
Hardware de Aquisição de Sinal
O hardware de aquisição de sinal é o core do sistema, uma vez que funciona como meio de comunicação entre o sistema computacional (mundo digital) e o ambiente exterior (mundo analógico). Normalmente, este core é constituído por um Analog-to-Digital Converter (ADC), para converter a grandeza física medida no formato digita cuja informação é processada posteriormente pela plataforma de desenvolvimento, contudo pode realizar o seguinte conjunto de funções:
• Os sinais analógicos de entrada são convertidos em sinais digitais usando ADCs;
• Os dados de entrada são transferidos para um sistema embebido para serem analisados e processados;
• Os dados de entrada são enviados para um PC, onde são utilizados em apli- cações de monitorização/controlo;
• Os dados de entrada são processados e posteriormente convertido de volta em sinais analógicos, usando Digital-to-Analog Converters (DACs), para atua- rem no ambiente exterior;
• Os dados de entrada digitais, que contêm informação sobre um certo dispo- sitivo, são usados diretamente para efeitos de controlo.
O hardware de aquisição de sinal encontra-se disponível em várias formas sobre di- versos fabricantes, podendo oferecer vários níveis de funcionalidade como o número de canais, taxa de amostragem, resolução, precisão e custo.
2.5.4
Componente de Software
A chave para tirar partido das potencialidades de um sistema embebido de forma eficaz, encontra-se no co-design de hardware-software de acordo os requisitos es- pecíficos da aplicação. Assim, a componente de software possui um papel funda- mental no controlo do hardware de aquisição de sinal de forma a realizar as tarefas alvo corretamente. Esta função passa por desenhar os respetivos device drivers do respetivo hardware utilizado bem como uma fornecer um conjunto de serviços, com um sistema operativo de suporte, que permitam a execução de determinadas tarefas.
Para além disto, esta componente engloba a aplicação de monitorização/controlo que, normalmente, realiza tarefas como:
• Monitorização em tempo-real; • Análise de dados;
• Algoritmos de controlo;
• Human Machine Interface (HMI).
Normalmente, a aplicação de software corre sob um sistema operativo num PC
host, garantindo flexibilidade visto que mantendo o protocolo de comunicação é
possível alterar o hardware de aquisição de sinal sem a necessidade de modificar a aplicação. Outra possibilidade consiste em integrar a aplicação na plataforma, contudo requer um maior esforço de engenharia devido à variabilidade de hardware e da quantidade de ferramentas de software existentes.
Capítulo 3
Plataformas de Desenvolvimento
Neste capítulo são discutidas as plataformas de hardware usadas nesta disserta- ção, descrevendo as suas principais características face ao sistema proposto. As plataformas híbridas utilizadas consistem num SoC customizável que integra o sis- tema de processamento com dois hard-cores da arquitetura ARM e uma área de silício programável de tecnologia FPGA num único chip. Como discutido anterior- mente, a utilização de uma plataforma com tecnologia FPGA permite o aumento da performance, do determinismo, de reduzir as latências da aplicação e oferece um nível elevado de flexibilidade de forma a satisfazer os requisitos exigentes e complexos dos sistemas embebidos. As plataformas de hardware descritas reque- rem um ambiente de desenvolvimento embebido tendo como alvo dispositivos da família Zynq-7000 da Xilinx, por isso foram utilizadas as ferramentas de software deste fabricante. No final deste capítulo são apresentados os critérios utilizados que levaram à escolha da plataforma de hardware como o sistema embebido alvo.