spdmai - Dilogicx

IX Seminário de Iniciação Científica e Tecnológica
SISTEMA DE PROCESSAMENTO DIGITAL PARA MEDIÇÃO E
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (SPDMAI)
Cleverson Miguel Correia e Silva [Bolsista ANP], Mánoel André Feckinghaus,
Willians Marlon de Jesus [Bolsista ANP], 1Flávio Neves Junior [Orientador], 2Miguel Antonio
Sovierzoski [Orientador]
1
CPGEI/LASCA – Laboratório de Automação e Sistemas de Controle Avançado,
2
Departamento Acadêmico de Eletrônica
Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná – CEFET-PR (Unidade da Curitiba)
Av. Sete de Setembro, 3165 – Curitiba/PR, Brasil – CEP 80230-901
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Resumo - Este artigo apresenta o projeto de um sistema de aquisição dados e síntese de sinais baseado em
conversores analógico-digital e digital-analógico de alta velocidade cuja principal finalidade é adquirir sinais
provindos de transdutores ultra-sônicos empregados na medição de vazão não-intrusiva. Um processador digital
de sinais (DSP) controla aquisição, síntese e comunicação com um computador. O sistema pode ser utilizado
para automação industrial e em laboratórios pesquisa.
Palavras-chave: Conversor Analógico-Digital, Conversor Digital-Analógico, Ultra-som, DSP.
Abstract - This paper shows the project of a data acquisition and signal synthesizer system based on high speed
analog-to-digital and digital-to-analog converters which main purpose is the data acquisition of ultrasonic
transducers signals employed on non-intrusive flow measurement. A digital signal processor (DSP) controls
acquisition, synthesizing and communication with a computer. The system can be used in industrial automation
and research laboratories.
Key-words: ADC, DAC, Ultrasonic, DSP.
INTRODUÇÃO
Na medição de vazão de fluidos através de método ultra-sônico não-intrusivo são
empregados dois transdutores ultra-sônicos acoplados externamente a uma tubulação. O
transdutor de transmissão é excitado através de um sinal elétrico, convertendo a energia
elétrica em vibração mecânica que se propaga através do meio (tubulação e fluido). O
transdutor de recepção converte a energia mecânica recebida em um sinal elétrico sendo este
enviado a um amplificador.
Este sinal de ultra-som apresenta um espectro estreito, porém devido ao fato de que sua
freqüência central poder chegar até alguns mega-hertz o sistema de aquisição de dados precisa
apresentar uma taxa de amostragem alta o suficiente para garantir a representação do sinal o
mais exato possível.
Neste trabalho é apresentado o projeto, o desenvolvimento e as medições comparativas
de um sistema de aquisição de dados e síntese de sinais de alta velocidade. Para tanto são
empregados circuitos Conversor Analógico-Digital (Analog-to-Digital Converter – ADC) e
Conversor Digital-Analógico (Digital-to-Analog Converter – DAC) com altas taxas de
conversão.
O controle do módulo de aquisição e síntese é efetuado por um processador digital de
sinais (Digital Signal Processor – DSP) cuja velocidade de processamento atende às
exigências do projeto.
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METODOLOGIA
Com base em estudos, nos quais foi investigada a relação entre erros máximo e médio e
taxa de amostragem e resolução em bits do sinal digitalizado, obteve-se como resultados os
requisitos mínimos do sistema de aquisição de dados [1]. Estes requisitos são: taxa de
amostragem vinte vezes a freqüência central do transdutor e resolução de 12 bits dos
conversores. A figura 1a apresenta um típico sinal de ultra-som com freqüência central de
1 MHz no tempo e na figura 1b pode-se visualizar seu espectro normalizado [2].
Figura 1. Sinal de ultra-som típico: (a) sinal no tempo e (b) espectro normalizado
Nas medições de vazão realizadas pela equipe de ultra-som do Laboratório de
Automação e Sistemas de Controle Avançado (LASCA) do CEFET-PR são empregados
transdutores Accuscan série “R” A414R-SB e A407R-SB da Panametrics cujas freqüências
centrais são 500 kHz e 1 MHz, respectivamente. Deste modo, o módulo de aquisição de dados
desenvolvido (placa ACQUIRO) foi projetado para permitir a amostragem do sinal de entrada
com uma freqüência de até 20 MHz e resolução de 12 bits. Este sistema também apresenta a
possibilidade de se sintetizar sinais e/ou controlar processos através de sua saída analógica,
além de contar com entrada e saída de sincronismo.
Para controlar o processo de aquisição e síntese emprega-se o kit de desenvolvimento
TMS320C6711 da Texas Instruments. Este módulo apresenta diversas facilidades, dentre as
quais se destacam a presença de conectores de expansão e uma interface de comunicação com
computador através da porta paralela. Futuramente a comunicação com o computador se dará
através do módulo de Barramento Serial Universal 2.0 (Universal Serial Bus – USB) (placa
VIA-X1). Na figura 2 pode-se visualizar o diagrama em blocos do sistema completo.
Figura 2. Diagrama em blocos do projeto SPDMAI
A entrada analógica da placa ACQUIRO apresenta dois acoplamentos possíveis: AC
(através de transformador de RF) e DC (através de amplificador operacional), ambos com
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impedância de entrada de 50 ohms, garantindo o casamento de impedância entre a saída do
equipamento de ultra-som e a entrada do sistema de aquisição. Assim, através do
transformador de RF é possível se isolar galvanicamente o equipamento que fornece o sinal a
ser amostrado e o sistema de aquisição, visto que o circuito de sincronismo da placa
ACQUIRO também apresenta isolação galvânica.
Para efetuar a digitalização do sinal é empregado o Conversor Analógico-Digital
(Analog-to-Digital Converter – ADC) ADS805 da Burr-Brown. Este conversor apresenta
características importantes para o projeto, destacando-se a ampla faixa de trabalho (freqüência
de amostragem entre 10 kHz e 20 MHz), resolução de 12 bits e a referência de tensão interna
com ajuste de fundo de escala de 2 Vpp (volts pico-a-pico) e 5 Vpp [3].
Na medida em que o sinal é digitalizado vai sendo enviado ao DSP através dos
conectores de expansão do kit TMS320C6711. Ao final do processo de amostragem 8.192
amostras são enviadas ao computador. No computador foi desenvolvido um software
(Exchange Panel) que se comunica com o DSP passando parâmetros como freqüência de
amostragem e modo de aquisição e recebendo o valor das amostras. Depois de receber o valor
este software plota na tela a forma de onda adquirida oferecendo também a possibilidade de
salvar estas amostras em formato texto (extensão txt).
Além de amostrar um sinal analógico, o sistema também apresenta a possibilidade de
sintetizar sinais através do Conversor Digital-Analógico (Digital-to-Analog Converter –
DAC) DAC902 da Burr-Brown. Através dos conectores de expansão este DAC recebe do
DSP a palavra digital convertendo-a em um sinal analógico discreto com 4.096 níveis (12
bits) com uma taxa de atualização de até 165 MHz [4]. O sinal na saída do DAC é diferencial
de corrente [4] sendo convertido para tensão através de um amplificador operacional na
configuração de um amplificador diferenciador de transimpedância. Na saída analógica o
sistema oferece um sinal de 3 Vpp centrado em 0 V com 50 ohms de impedância de saída.
RESULTADOS
Para fins de comparação foram realizadas medições com o Sistema de Processamento
Digital para Medição e Automação Industrial (SPDMAI) e com o osciloscópio TDS3034 da
Tektronix. Na configuração utilizada a taxa de amostragem deste osciloscópio é de 500 MHz
apresentando uma resolução vertical de 9 bits (exatidão de 2%) armazenando 10.000 amostras
por ciclo de amostragem [5].
Para as medições foram empregados os transdutores Accuscan série “R” modelo
A414R-SB (freqüência central de 500 kHz). Na figura 3a pode-se visualizar o sinal de ultrasom adquirido pelo osciloscópio TDS3034 da Tektronix e na figura 3b pode-se visualizar o
sinal adquirido pelo SPDMAI.
Figura 3. Aquisição do sinal de ultra-som: (a) pelo osciloscópio TDS3034 da Tektronix e
(b) pelo SPDMAI
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Comparando ambas as aquisições pode-se perceber que o sistema de aquisição
SPDMAI apresentou o resultado esperado, confirmando o resultado do estudo [1]. Isto
possibilita seu emprego em medições de vazão de fluidos com método ultra-sônico.
DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
Através das aquisições efetuadas o Sistema de Processamento Digital para Medição e
Automação Industrial (SPDMAI) se mostrou uma ferramenta bastante útil apresentando
grande potencial tanto em medições com sinais de ultra-som quanto em outras aplicações que
necessitem de taxas de amostragem mais baixas, visto que pode efetuar aquisições entre
10 kHz e 20 MHz.
Além de poder sintetizar sinais com alta taxa de atualização a possibilidade de fornecer
um sinal de correção através da saída analógica possibilita seu emprego em controle a malha
fechada
Para garantir uma maior exatidão nas medições será necessário realizar uma etapa de
calibração, ajuste e aferição do sistema com uma instrumentação apropriada.
Futuramente a comunicação com o computador se dará através da interface USB 2.0
permitindo transferência de dados de até 480 Mbps. Para isto foi desenvolvida a placa
VIA-X1 cujo hardware está pronto, faltando o desenvolvimento do firmware e software no
computador.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo – ANP – e
da Financeira de Estudos e Projetos – FINEP – por meio do Programa de Recursos Humanos
da ANP para o Setor de Petróleo e Gás (PRH10-CEFET-PR). Também agradecem à
FUNCEFET-PR pela ajuda de custo (edital 002/03) para apoio ao desenvolvimento
tecnológico dos trabalhos de graduação dos cursos do CEFET-PR.
REFERÊNCIAS
[1] SBALQUEIRO NETO, O. Erros Associados à Medição de Vazão de Fluidos com Método
Ultra-Sônico. Relatório interno – CPGEI, 2004
[2] PANAMETRICS. Transducer Catalog. Disponível em: <http://www.panametricsndt.com/ndt/ndt_transducers/downloads/transducer_catalog.pdf>. Último acesso:
25/05/2004, p. 10.
[3] TEXAS INSTRUMENTS. ADS805: 12-bit, 20 MHz sampling analog-to-digital converter.
Disponível em <http://www-s.ti.com/sc/ds/ads805.pdf>. Último acesso: 20/05/2004.
[4] TEXAS INSTRUMENTS. DAC902: 12-bit, 165 MSPS digital-to-analog converter.
Disponível em: <http://www-s.ti.com/sc/ds/dac902.pdf>. Último acesso: 27/05/2004
[5] TEKTRONIX. Digital Phosphor Oscilloscopes: TDS3012B, TDS3014B, TDS3032B,
TDS3034B, TDS3052B, TDS3054B. Disponível em: <http://www.tek.com/site/ps/0,,3G12482-SPECS_EN,00.html>. Último acesso: 02/06/2004.
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