Aleksandar Popovi

, Miloš Markovi

, Bratimir Pani

, Marko Nikoli

SAKUPLJANJE I OBRADA PODATAKA

DATA ACQUISITION AND PROCESSING

Stru

ni rad / Professional paper

UDK /UDC: 620.17.05:004
Rad primljen / Paper received: 16.10.2006.

Adresa autora / Author's address:

UNO-LUX NS d.o.o.Nisefora Niepsa 36, 11147 Beograd

Institut za fiziku, Pregrevica 118, 11080 Zemun, Beograd

Klju

ne re

•

akvizicija podataka

•

obrada podataka

•

virtuelna instrumentacija

•

otvorena arhitektura

•

prenos podataka

Izvod

Prikazan je postupak za sakupljanje i obradu podataka.

Osnovne komponente sistema su akvizicija podataka, ana-
liza i prezentacija. Pažnja je posve

ena sistemima pogod-

nim za primenu u specifi

nim ispitivanjima bez razaranja

za indirektno merenje deformacija i otkrivanje ošte

enja.

Obuhva

ene su opti

ke metode ispitivanja (holografija i

termografija) i senzorske metode (C scan – ultrazvu

ispitivanje i akusti

na emisija). Obra

ena je i primena za

metodu ispitivanja deformacija mernim trakama, jer je
sli

na konfiguracija sistema.

Keywords

•

data acquisition

•

data processing

•

virtual instrumentation

•

open architecture

•

data transfer

Abstract

The procedure for data acquisition and processing is

presented. Major components of the system are data acqui-
sition, analysis, and presentation. Attention is paid to sys-
tems suitable for application in special non-destructive
testing for indirect deformation measurement and damage
detection. Optical testing methods (holography and thermo-
graphy) and sensor methods (C scan – ultrasound and
acoustic emission) are included. The application of strain
gauge method for deformation testing is also considered,
since the configuration of system is similar.

UVOD

Akvizicija podataka predstavlja proces prikupljanja

informacija iz sredine koja se razmatra. Kod analognih
merno-akvizicijskih sistema javljaju se problemi šuma i
drifta, skladištenja rezultata merenja, nestabilnosti i velike
potrošnje energije. Digitalni sistemi su prakti

no neosetljivi

na šum i drift. Oni obezbe

uju jednostavan prenos i skladiš-

tenje podataka, dok se neophodna galvanska izolacija jedno-
stavno realizuje. Digitalna obrada signala je prakti

no neo-

grani

ena. Navedene prednosti i mogu

nost programiranja

ine digitalne sisteme superiornim u odnosu na analogne.

Prema modelu sa sl. 1 merno-akvizicijski sistem se

sastoji od tri oblasti: akvizicija, analiza i prezentacija poda-
taka. Oblast koja se odnosi na akviziciju podataka se reali-
zuje u vidu kartice za povezivanje na zajedni

ku magistralu

unara ili kao posebni ure

aj. U ovom delu se ostvaruje

povezivanje, obrada signala, trigerovanje i analogno-digi-
talna konverzija (ADC). U delu za analizu se izvode izra

navanja, kao što su filtriranje, spektralna analiza, statistika,
formatiranje podataka. Formatiranje podataka je potrebno s
obzirom da razli

iti ure

aji i instrumenti mogu zahtevati

podatke u razli

itom formatu. Tre

i deo modela, nazvan

prezentacija, obezbe

uje prikaz, memorisanje i štampanje

rezultata, prenos fajlova podataka izme

u razli

itih aplika-

cija, komunikaciju izme

u sistema i rad u mreži, /1,2/.

INTRODUCTION

Data acquisition represents a process of collecting infor-

mation from an observed environment. Analogue acquisi-
tion and measurement systems have noise and drift
problems, measurement results storage, instability, and
significant power consumption. Digital systems are virtu-
ally insensitive to noise and drift. They enable simple data
transfer and storage, and necessary galvanic insulation is
also simple. Digital data processing is virtually limitless.
The listed advantages and programmability make digital
systems superior compared to analogue ones.

According to the model given in Fig. 1 data acquisition

and measurement system is composed of three parts: data
acquisition, analysis, and presentation. The part for data
acquisition is implemented as a card with an interface
towards a computer data bus, or as a separate device. This
part is responsible for connection, signal processing,
triggering, and analogue-to-digital conversion (ADC). The
part for analysis performs computations such as filtering,
spectral analysis, statistics, and data formatting. Data
formatting is necessary because different devices and
instruments may require data in different formats. The third
part of the model, called presentation, provides display,
saving and printing of results, transfer of data files between
different applications, communication between systems,
and distributed operations, /1,2/.

INTEGRITET I VEK KONSTRUKCIJA
Vol. 6, br. 1-2 (2006), str. 53–64

STRUCTURAL INTEGRITY AND LIFE

Vol. 6, No 1-2 (2006), pp. 53–64

Sakupljanje i obrada podataka

Data acquisition and processing

Slika 1. Model standardne arhitekture merno-akvizicijskog sistema

Figure 1. Model of standard architecture of a system for data acquisition and measurement

SISTEM ZA SAKUPLJANJE I OBRADU PODATAKA

Ekonomi

nost i velike ra

unarske mogu

nosti koje pruža

unar PC tipa doveli su do naglog razvoja u oblasti mere-

nja, automatizacije i instrumentacije. Da bi se prebacili
podaci sa mernih ure

aja za dalju obradu i prezentaciju

primenjuje se direktno povezivanje mernih ure

aja sa PC,

ime je pove

ana produktivnost i u znatnoj meri uproš

zadatak inženjera. Ovo je bio po

etak novog koncepta

nazvanog –

virtuelna instrumentacija

Dalji razvoj virtuelne instrumentacije bio je fokusiran ka

PC ra

unaru. Po

elo se sa razvojem instrumentacijskog

hardvera u formi akvizicijskih modula (kartica) za direktno
povezivanje na zajedni

ku magistralu personalnog ra

una-

ra. Ove kartice su preko drajverskog softvera povezane sa
aplikativnim razvojnim softverima. Korisnici sada mogu da
kontrolišu funkcionalnost merne aplikacije. Kartica nije
više ograni

ena funkcionalnoš

u koju definiše proizvo

kao kod klasi

nih ure

aja. Virtuelni instrument koristi stan-

dardni ra

unar otvorene arhitekture, njegovu memoriju i

raznovrsne mogu

nosti za prezentaciju. Specijalizovani

hardverski modul za akviziciju i/ili generisanje signala,
povezan na otvorenu standardizovanu magistralu ra

unara,

definiše osnovne karakteristike ure

aja. Funkcije ure

aja

definiše korisnik. Deo sistema za akviziciju može se izvesti
i kao posebni ure

aj. Dizajnerima stoji na raspolaganju

mogu

nost povezivanja akvizicijskih podsistema ili zaseb-

nih ure

aja preko standardnih komunikacijskih interfejsa:

paralelno, serijski, uklju

uju

i i univerzalnu serijsku magis-

tralu USB, IEEE-488 interfejsa, VXI instrumentacijskog
standarda,

FireWire

ili nekog drugog interfejsa, /1,2/.

Otvorena arhitektura PC ra

unara daje korisniku veliku

fleksibilnost u koncipiranju sistema. Zahvaljuju

i popular-

nosti personalni ra

unar ima hardversku i softversku podrš-

ku velikog broja proizvo

a, pa izbor periferne jedinice ili

softvera za specifi

nu namenu ne predstavlja problem.

Uvo

enje odgovaraju

ih standarda pove

ava kompatibil-

nost izme

u proizvoda razli

itih proizvo

a, /1,2/.

DATA ACQUISITION AND PROCESSING SYSTEM

Affordability and great computing capabilities of PC

type computer have led to rapid development in the area of
measurement, automation and instrumentation. In order to
transfer data from measuring instruments for further
processing and presentation, direct connection between
measurement instruments and PCs is applied, increasing
productivity and simplified engineering tasks. This brought
a new concept, called –

virtual instrumentation

Further development of virtual instrumentation was

focused on the PC platform. A number of instrumentation
hardware devices were developed in the form of acquisition
modules (cards) for direct PC data bus connection. These
cards are connected to user application software via drivers.
Users now have control over a functionality of measure-
ment application. The cards are no longer restricted to the
functionality defined by a manufacturer, as in classical
devices. A virtual instrument uses a standard open architec-
ture computer, its memory and various presentation capa-
bilities. A specialized hardware module for data acquisition
and/or signal generation is connected to an open, standard
computer data bus and it defines basic characteristics of the
instrument. The user defines the functionality of the device
itself. The part of the system that is dedicated to data
acquisition can be implemented as a separate device.
Designers can use connections of acquisition subsystems or
stand-alone instruments via standard communication inter-
faces: parallel, serial, including a universal serial bus
(USB), IEEE-488 interface, VXI instrumentation standard,
FireWire or some other interface, /1,2/.

Open PC architecture provides users great flexibility in

system design. Because of its wide use, the PC has both
hardware and software supports of a large number of manu-
facturers, so the choice of peripheral devices or software for
a specific use is typically a non-issue. By corresponding
standards, compatibility of devices is improved even if they
are made by different manufacturers, /1,2/.

INTEGRITET I VEK KONSTRUKCIJA
Vol. 6. br. 1-2 (2006), str. 53–64

STRUCTURAL INTEGRITY AND LIFE

Vol. 6, No 1-2 (2006), pp. 53–64

Sakupljanje i obrada podataka

Data acquisition and processing

Opšta je saglasnost stru

njaka da budu

nost u industriji

predstavljaju ure

aji koji su kombinacija otvorenosti i flek-

sibilnosti PC ra

unara i robusnosti i pouzdanosti programa-

bilnog logi

nog kontrolera (PLC). Jedan primer takvog

ure

aja je cFP,

ure

aj firme

National Instruments

To je

programabilni automatizacijski kontroler (PAC), projekto-
van za industrijske kontrolne aplikacije. Omogu

ava napred-

ne ugra

ene kontrole, skladištenje podataka i Ethernet

povezivanje. Ovaj ure

aj kombinuje pakovanje, specifi

funkcionalnost i pouzdanost PLC kontrolera sa softverom,
fleksibilnoš

u, mrežnom povezanoš

u i funkcionalnoš

PC ra

unara. Ova robusna i pouzdana platforma je projek-

tovana za rad u industrijskim uslovima i može izdržati
vibracije i ekstremne temperature. PC poseduje hardver i
softver koji može da izvršava kompleksne kontrolne i
procesne algoritme, /4,5/.

Druga PAC platforma firme

National Instruments

kompaktni rekonfigurabilni ulaz i izlaz I/O (cRIO), koja
ima još bolje performanse od cFP platforme. cRIO je jeftin,
prilagodljiv kontrolni i akvizicijski sistem za izradu aplika-
cija koje zahtevaju visoke performanse i pouzdanost. Ovaj
sistem kombinuje otvorenu arhitekturu kontrolera sa malim,
ekstremno robusnim industrijskim I/O modulima. cRIO
sadrži niz ulaza programabilnih u polju (FPGA) tehnolo-
giju, pa se deo aplikacije može izvoditi na hardverskom
nivou. Zbog toga se ovaj sistem može koristiti i u sigurnos-
ne svrhe. U odnosu na cFP, sistem cRIO omogu

ava ve

estanosti uzorkovanja, a zbog FPGA tehnologije i proce-

siranje signala je daleko brže, /3/.

Glavni nedostatak PC bazirane kontrole je što PC ra

nar pokre

e operativni sistem, a hardver nije prilago

en indus-

trijskim uslovima. Kontroler PAC ima operativni sistem
(OS) za rad u realnom vremenu i pokre

e softver napisan u

programskom jeziku višeg nivoa. Operativni sistem u real-
nom vremenu omogu

ava da se definišu vremenski kriti

delovi aplikacije za izvršavanje na najvišem nivou priori-
teta. PAC ima ugra

en interaktivni

web

server i više serij-

skih portova za druge komunikacije. Mogu

je pristup sa

udaljenih mesta preko standardnih web pretraživa

a i veza

na prednji panel korisni

kog interfejsa. Nekoliko klijenata

se može istovremeno povezati na prednji panel, dok jedan i
kontroliše aplikaciju. Podaci se skladište u DOS kompati-
bilnom formatu, uklju

uju

i CSV i XML. Prenos podataka

na PC ra

unar je mogu

preko FTP servera. Platforma PXI

radi pod

Windows

ili OS za rad u realnom vremenu.

U tab. 1 su prikazane mogu

nosti pojedinih platformi

(PXI, cFP, cRIO) firme

National Instruments

za sakupljanje

podataka za slede

e metode ispitivanja: ultrazvu

na, termo-

vizijska, akusti

nom emisijom, holografska i pomo

mernih traka.

Tabela 1. Mogu

nost merenja PXI, cFP i cRIO sistema

Merenje

PXI

cFP

cRIO

Ultrazvu

●

Termografsko

●

○

Akusti

nom emisijom

●

○

○●

Holografsko

●

○●

Sa mernih traka

●

- mogu

○●

- mogu

e odre

enom metodom;

○

- nije mogu

It is a general consensus of experts that industrial future

lies in devices that are a combination of openness and flexi-
bility of PC computers, and robustness and reliability of
Programmable Logic Controller (PLC). An example of
such a device is Compact Field Point (cFP), the device of
National Instruments. It is a Programmable Automation
Controller (PAC), designed for industrial control applica-
tions. It provides advanced built-in controls, data storage,
and Ethernet communication. It combines packaging, task
specific functionality, and reliability of PLCs with software,
flexibility, and network connectivity and functionality of
the PC. This robust and reliable platform is designed to
work in an industrial environment and can sustain vibra-
tions and extreme temperature ranges. PC has hardware and
software capabilities to perform complex control and proc-
essing algorithms, /4,5/.

The second National Instruments PAC platform is com-

pact Reconfigurable Input and Output – I/O (cRIO) that has
improved performance compared to cFP platform. cRIO is
a low cost reconfigurable control and data acquisition sys-
tem for application development with high performance and
reliability requirements. It combines open controller archi-
tecture with small, extremely robust industrial I/O modules.
cRIO contains Field Programmable Gate Array (FPGA)
technology that enables implementation of parts of applica-
tions on a hardware level. This makes cRIO suitable for
security applications. Compared to cFP, system cRIO is of
higher sampling frequencies, and because of the FPGA
technology, signal processing is significantly faster, /3/.

The main disadvantage of PC based controllers is a

generic operating system of a PC and hardware that is not
adapted to industrial conditions. PAC has a real-time
operating system (OS) and runs software designed in a
high-level programming language. A real-time OS enables
definition of timing critical parts of an application, executed
at the highest priority level. PAC has interactive web server
and several serial ports for general purpose communication.
It enables remote access via standard web browsers and
connection to a front panel of the user interface. Several
clients can be simultaneously connected to the front panel
while only a single client controls the application. Data is
stored in DOS compatible formats including CSV and
XML. Data transfer to PC is performed by means of an FTP
server. PXI platform works under Windows OS or a real-
time OS.

In Table 1 the capabilities of individual National Instru-

ments platforms (PXI, cFP, cRIO) for data acquisition are
presented for following test methods: ultrasound, thermo-
graphy, acoustic emission, holography, and by strain
gauges.

Table 1. Measurement capabilities of PXI, cFP and cRIO systems.

Measurement by

PXI

cFP

cRIO

Ultrasound

●

Thermography

●

○

Acoustic emission

●