unidad 2-manejo de puertos

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2. MANEJO DE PUERTOS

TEORÍA DEL MUESTREO Y ADQUISICIÓN DE DATOS.

ADQUISICIÓN DE DATOSIntroducción.En la vida diaria se encuentran diversas actividades que se pueden calificar como adquisición datos: • observar un voltímetro o un termómetro y anotar manualmente

los valores leídos es de hecho un proceso de adquisición de datos.

Adquirir datos: es el procedimiento mediante el cual se recolecta información o datos que describen una situación determinada. • Reflejan lo que estaba ocurriendo cuando se cumplía

determinada condición, • normalmente esta definida por una base de tiempo adecuada o

por un evento determinado a partir del cual interesa evaluar la evolución del sistema en observación.

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ADQUISICIÓN DE DATOSIntroducción.• Los sistemas llamados de tiempo real se caracterizan por

efectuar la recolección de los datos y/o las acciones de control en un intervalo de tiempo apropiado.

• La rapidez con la cual debe responder el sistema dependerá́ de la velocidad y precisión requeridas en cada situación particular.

Recolección de datos: • lee instrumentos de características diversas,

• registra los datos leídos • almacena, analiza, utiliza, y comunica.

3ADQUISICIÓN DE DATOSIntroducción.Sistema de cómputo digital

• rápido, flexible, confiable y con gran capacidad de almacenamiento

• mediante programas adecuados se pueden • realizar operaciones matemáticas, • analizar datos, • clasificar y ordenar, • generar reportes visuales y/o escritos, • transferir datos a otros sistemas,• almacenar gran cantidad de información.

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ADQUISICIÓN DE DATOSIntroducción.Sistema de cómputo digital

• Sin embargo las señales provenientes del mundo real son en la mayoría señales analógicas y no pueden ser leídas directamente por un sistema digital.

• Los Sistemas de Adquisición de Datos (DAQ) proporcionan la interface de conversión entre los parámetros físicos analógicos del mundo real y el SD, • conversores analógico -digitales (A/D) • conversores digitales - analógicos (D/A)

5CONSIDERACIONES PARA EL MUESTREO DE SEÑALES

Tipos de señales .Señal

Es una función que transporta información, generalmente acerca del estado o comportamiento de un sistema físico.

• La información está contenida en un patrón de variaciones de algún tipo (temporales o espaciales).

• Matemáticamente se representan a las señales como funciones de una o más variables independientes. • La variable independiente puede ser continua o discreta.

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CONSIDERACIONES PARA EL MUESTREO DE SEÑALES

Tipos de señales .Una señal es continua o de tiempo continuo: cuando esta definida para un conjunto continuo de tiempo (esta definida para todo tiempo) y se representa como una función de variable continua.

• Señales analógicas

7CONSIDERACIONES PARA EL MUESTREO DE SEÑALES

Tipos de señales .Una señal es discreta o de tiempo discreto: cuando esta definida para valores discretos de tiempo (tiene su valor definido solo para determinados valores del tiempo) y se representa como una secuencia de números.

• Señales digitales

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CONVERSIÓN ANALÓGICO -DIGITAL

Conceptualmente, se puede ver que la ADC posee un proceso de tres pasos los cuales son: • Muestreo

• Es la conversión de una señal en tiempo continuo a una señal en tiempo discreto, tomando muestras de la señal continua en instantes de tiempo discreto

• Cuantificación• El valor de cada muestra de la señal se representa

mediante un valor seleccionado de un conjunto finito de valores posibles.

• Codificación• En el proceso de codificación, cada valor discreto se

representa mediante una secuencia binaria de b bits.

9CONVERSIÓN ANALÓGICO -DIGITAL

• Muestreo

• Existen muchas maneras de muestrear una señal, la más común es el muestreo periódico o uniforme.

• tomado muestras cada determinado periodo de tiempo T. • La señal discreta x[n] se obtiene al tomar muestras cada T

segundos de una señal continua xc(t), de acuerdo a la relación

x[n] = xc(t) |t=nT -∞ < n < ∞• T es el periodo de muestreo, y su reciproca fs = 1/T es la

frecuencia de muestreo, (muestras por segundo). • A veces es conveniente expresar la frecuencia de

muestreo en radianes por segundo, Ωs = 2πfs =2π/T.

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• Muestreo


• Muestreo

• Existen muchas maneras de muestrear una señal, la más común es el muestreo periódico o uniforme.

• tomado muestras cada determinado periodo de tiempo T. • La señal discreta x[n] se obtiene al tomar muestras cada T

segundos de una señal continua xc(t), de acuerdo a la relación

x[n] = xc(t) |t=nT -∞ < n < ∞• T es el periodo de muestreo, y su reciproca fs = 1/T es la

frecuencia de muestreo, (muestras por segundo). • A veces es conveniente expresar la frecuencia de

muestreo en radianes por segundo, Ωs = 2πfs =2π/T.

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• Muestreo


• Muestreo

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• Muestreo


• Muestreo

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• Muestreo


• Muestreo

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CONVERSIÓN ANALÓGICO -DIGITALTeorema del muestreo • Dada una señal analógica cualesquiera,

• ¿cómo se debe elegir el periodo de muestreo T? • ¿cuál es velocidad de muestreo Fs? • Es necesario cierta información sobre la característica de la

señal que va a ser muestreada. • se debe tener cierta información general sobre el contenido

de frecuencia de la señal.

• El propósito del procesado de señal es normalmente la extracción de las características.

• Si se conoce la frecuencia máxima de una determinada clase de señal, se puede especificar la velocidad de muestreo necesaria para convertir las señales analógicas en señales digitales.


Teorema del muestreo Si se supone que cualquier señal analógica se puede representar como una suma de senoides de diferentes amplitudes, frecuencias y fases,

donde N indica el número de componentes de frecuencia.

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CONVERSIÓN ANALÓGICO -DIGITALTeorema del muestreo: Sea xc(t) una señal de banda limitada, cuya transformada de Fourier satisface

Xc(f) = 0 para | fj | > fN.

Entonces xc(t) puede determinarse de manera única a partir de sus muestras

x[n] = xc(nT), n ε N, si

La frecuencia fN se conoce como frecuencia de Nyquist, y la frecuencia 2fNque debe ser menor que la frecuencia de muestreo Fs se denomina tasa de Nyquist.

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SF =1T> 2

Nf


Teorema de Nyquist • Indica que la frecuencia de muestreo mínima debe ser

mayor que 2·fmax,

• donde fmaxes la frecuencia máxima de la señal. • Esa frecuencia de muestreo, permite reproducir

posteriormente la señal a partir de las muestras tomadas.

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SF ≥ 2maxf

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Teorema de Nyquist Ejemplo:

• Consideremos una onda senoidal con una frecuencia de 100 Hz.

• ¿Con qué frecuencia necesitamos muestrear esta señal para poder representar exactamente la onda inicial?

• El Teorema de Nyquist indica que debemos utilizar una frecuencia de muestreo mayor que 200 Hz.

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SF ≥ 2maxf


Teorema de Nyquist Frecuencia de muestreo más alta

• Una frecuencia más alta que la de Nyquist se obtendría una representación más exacta de la señal de entrada.

• Sin embargo, se debe buscar un compromiso: • cuanto más alta es la frecuencia de muestreo más alto es

el numero de muestras por segundo que se deberán procesar, por lo que los procesadores de señal deberán ser más potentes o realizar menos procesamiento en cada muestra.

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SF ≥ 2maxf

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Teorema de Nyquist Frecuencia por debajo de la especificada por Nyquist

• Si utilizamos una frecuencia inferior aparece un fenómeno llamado Aliasing.

• Esto significa que cuando se intenta reconstruir la señal aparece una onda senoidal de frecuencia más baja.

• Este fenómeno se presenta por el hecho de que las muestras se pueden unir para crear una forma de onda de frecuencia más baja que es totalmente diferente de la onda original.


Teorema de Nyquist Frecuencia por debajo de la especificada por Nyquist

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Teorema de MuestreoSi la frecuencia más alta contenida en una señal analógica

xa(t) es Fmax =B

y la señal se muestrea a una velocidad

Fs>2Fmax,entonces xa(t) se puede recuperar totalmente de sus muestras mediante la siguiente función de interpolación:

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g(t) = sin(2πBt)2πBt


Cuantificación. • Esta es la conversión de una señal en tiempo

discreto con valores continuos a una señal en tiempo discreto con valores discretos.

• El valor de cada muestra de la señal se representa mediante un valor seleccionado de un conjunto finito de valores posibles.

• La diferencia entre la muestra sin cuantificar x(n) y la salida cuantificada xq(n) se denomina error de cuantificación.

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Cuantificación.

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Cuantizador ideal con 8 estados de salida, a cada uno de los estados se le asigna un código digital. La función representa así́ a un conversor A/D de 3 bits con un rango de entrada analógico del cuantizador de 0 a +10 V.


Cuantificación - Codificación.

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• Cuantos más niveles de cuantificación utilicemos, podremos representar más exactamente la señal analógica.

• Una resolución de 12 dígitos binarios, en total nos permite 212=4096 niveles.

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MUESTREO DE SEÑAL ANALÓGICA LABVIEW

Entrada Analógica• Todo lo que vemos y oímos es una transmisión

continua de la información a nuestros sentidos, (datos analógicos).

• La información digital, estima los datos analógicos utilizando solo unos y ceros.

• Debido a las diversas ventajas del procesamiento de la señal digital, las señales analógicas se convierten a la forma digital.

• Una señal digital puede asumir solamente un sistema finito de valores en las variables dependientes e independientes.

31MUESTREO DE SEÑAL ANALÓGICA LABVIEWMuestreo de señales• Para adquirir una señal analógica, primero se debe convertir

en una señal digital, en la practica esto se implementa con un convertidor A/D.

• Se considera una señal analógica x (t) que se muestrea cada• nt segundos (nt: periodo de muestreo). • 1/nt es la frecuencia de muestreo, • muestras por segundo.

• Cada valor discreto de x (t) en t = 0, nt, 2nt, 3nt,…, es conocido como una muestra.

• Así́, x (0), x (nt), x (2nt),..., son todos muestras. • La señal x (t) puede representarse por el sistema de muestras

discretas como se indica en la siguiente ecuación.

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Muestreo de señales • La señal x (t) puede representarse por el sistema de

muestras discretas como se indica en la siguiente ecuación.

{X (0), x (nt), x (2nt), x (3nt),..., x (knt),...}

• El periodo de muestreo es nt.• Las muestras se definen en intervalos

discretos de tiempo.

33MUESTREO DE SEÑAL ANALÓGICA LABVIEWMuestreo de señales • Las siguientes notaciones representan las muestras

individuales: X[i] = x (iΔt), para i= 0, 1, 2,

• Si para la señal x (t) se obtienen N muestras, x (t) puede representarse con la secuencia:

X = {x [0], x [1], x [2], x [3],..., x [N-1]}

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Frecuencia de muestreo • La frecuencia en la cual el dispositivo de

medida muestrea una señal entrante o genera la señal de salida.

• La frecuencia de muestreo en el NI-DAQmx, determina cuantas veces ocurre la conversión A/D o D/A.

• La generación de una señal de 1 Hz usando 1,000 puntos por ciclo en 1,000 muestras/s.

35MUESTREO DE SEÑAL ANALÓGICA LABVIEW

Aliasing: • Un muestreo demasiado lento da lugar a una mala

representación de la señal analógica. • Un bajo muestreo causa que la señal aparezca

como si tuviera una frecuencia diferente a la real. • Para evitar aliasing, hay que muestrear varias

veces más rápido que la frecuencia de la señal. • Para calcular la frecuencia de aliasing: AliasFrec =|(Frec.demuestreomás cercanaalafrec.deentrada– frec.deentrada)|

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Aliasing:

Por ejemplo: AliasingF2=|100-70|=30HzAliasingF3=|(2)100-160| =40HzAliasingF4=|(5)100-510| =10Hz

37MUESTREO DE SEÑAL ANALÓGICA LABVIEW

Determinar la Frecuencia de muestreo • Teorema de Nyquist, se debe muestrear a una

frecuencia mayor que el doble de la frecuencia máxima en la señal que se está adquiriendo

• Puede ser que se quiera muestrear a la frecuencia máxima disponible en el dispositivo de medida.

• Sin embargo, si se muestrea muy rápidamente durante largos periodos del tiempo, puede ser que no se tenga bastante memoria o espacio de disco duro para llevar a cabo los datos

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Determinar la Frecuencia de muestreo

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El teorema de Nyquist proporciona un punto de partida para una adecuada frecuencia de muestreo

Esta frecuencia es a menudo inadecuada para los propósitos prácticos.


Determinar la Frecuencia de muestreo • Las señales del mundo real, contienen

componentes de frecuencia que engañan sobre la frecuencia de Nyquist y se agregan a menudo a los componentes de la señal que se muestrean correctamente, presentando datos muestreados erróneamente.

• Por lo tanto, para los propósitos prácticos, el muestreo se hace generalmente varias veces por encima del máximo frecuencia, en la industria es típico 5 a 10 veces.

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USANDO EL DAQmx READ VI El VI DAQmx Read situado en el DAQmx–data acquisition, lee muestras de la tarea o de los canales que se especifican. Utilizar el menú́ pull-down para seleccionar un caso del VI,

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tipo de entrada

número de canales o si los datos están sin escalar

numero de muestras a leer

modo que se van a enviar los datos

PUERTOS DE COMUNICACIÓN• Son herramientas que permiten manejar e intercambiar datos:

• Computador - Periféricos,• Computadora - Computadora • Computadora – DAQ

• Puertos de comunicación:• Puerto eSATA• Puerto USB• Puerto FireWire ó IEEE1394• Puerto SCSI• Puerto paralelo / LPTx• Puerto serial / COMx • Ethernet (RJ-45)

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PUERTOS DE COMUNICACIÓN• Puertos físicos de la computadora:

• son conectores integrados en tarjetas de expansión ó en la tarjeta principal de la computadora;

• diseñados con formas y características electrónicas especiales, utilizados para interconectar una gran gama de dispositivos externos con la computadora.

• Usualmente el conector hembra estará montado en la computadora y el conector macho estará integrado en los dispositivos ó cables.

• Varía la velocidad de transmisión de datos y la forma física del puerto acorde al estándar y al momento tecnológico.

43PUERTOS DE COMUNICACIÓN• Puertos lógicos de la computadora:

• son puntos de acceso entre equipos para el uso de servicios y flujo de datos entre ellos,

• Por ejemplo: el puerto 21 correspondiente al servicio FTP (permite el intercambio de archivos) ó

• el puerto 515 que está asociado con el servicio de impresión.

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PUERTOS DE COMUNICACIÓN• Puerto eSATA

• eSATA "external Serial Advanced Technology Attachment”. • Permite la transmisión de datos entre un dispositivo

externo (periférico), con la computadora. • Basado en tecnología para discos duros SATA. • Este conector compite actualmente contra el puerto USB 3

y en menor medida contra el puerto FireWire.

45PUERTOS DE COMUNICACIÓN• Puerto eSATA. Características:

• Es un puerto de reciente lanzamiento, siendo una extensión del conector SATA utilizado para discos duros internos.

• Cuenta con la tecnología denominada "Hot Swap", la cuál permite la instalación ó sustitución de dispositivos importantes sin necesidad de reiniciar ó apagar la computadora.

• Cada puerto permite conectar como máximo 15 dispositivos externos, pero se recomienda usar menos, porque se satura la línea del puerto y se ralentiza el sistema al tener que administrarse todos simultáneamente.

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PUERTOS DE COMUNICACIÓN• Puerto eSATA. Características:1.- Ground (Tierra)

2.- A+ (Transmisión)3.- A- (Transmisión)4.- Ground (Tierra)

5.- B- (Recepción)6.- B+ (Recepción)

7.- Ground (Tierra)

47PUERTOS DE COMUNICACIÓNPuerto USB.• USB "Universal Serial Bus” es una línea serial universal de

transporte de datos.

• Es un conector rectangular de 4 terminales que permite la transmisión de datos entre una gran gama de dispositivos externos (periféricos) con la computadora; • por ello es considerado puerto

• Comenzó en 1995 por Intel, Compaq, Microsoft. • En 1997, el USB llegó a ser popular y extenso con el

lanzamiento del chipset de 440LX de Intel.

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PUERTOS DE COMUNICACIÓNPuerto USB.• Es una arquitectura de bus desarrollada por las industrias de

computadoras y telecomunicaciones,

• Permite instalar periféricos sin tener que abrir la maquina para instalarle hardware.

49PUERTOS DE COMUNICACIÓNPuerto USB.Características:

• Permite adjuntar dispositivos periféricos rápidamente, sin necesidad de reiniciar la computadora ni de volver a configurar el sistema.

• Interfaz para la transmisión de datos y distribución de energía• mejorar las lentas interfaces serie y paralelo.

• Los puertos USB son capaces de transmitir datos a 12 Mbps

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PUERTOS DE COMUNICACIÓNPuerto USB.Características:

• Existe un solo tipo de cable USB (A-B) con conectores distintos en cada extremo, de manera que es imposible conectarlo erróneamente.

• Consta de 4 hilos, transmite a 12 Mbps y es “Plug and Play”, que distribuye 5v para alimentación y transmisión de datos.

51PUERTOS DE COMUNICACIÓNPuerto USB.Versiones:• Versión USB 1.0 Aparece en el mercado, junto con el

lanzamiento del microprocesador Intel® Pentium II en 1997.• Cada puerto, permite conectar hasta 127 dispositivos

externos, pero solo se recomiendan como máximo 8, porque se satura la línea del puerto.

• Cuenta con tecnología "Plug&Play" la cuál permite conectar, desconectar y reconocer dispositivos sin necesidad de reiniciar ó apagar la computadora.

• Versiones USB 1.X y USB 2.0 transmiten en un medio unidireccional los datos, esto es solamente se envía ó recibe datos en un sentido a la vez,

• Versión USB 3 permite enviar y recibir datos de manera simultánea (full duplex).

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PUERTOS DE COMUNICACIÓNPuerto USB.• Los puertos USB 1.0, 1.1 y USB 2.0 tienen 4 contactos,

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1.- Vbus (+ 5 Volts, alimentación)2.- D- (- datos)3.- D+ (+ datos)4.- GND (tierra)

PUERTOS DE COMUNICACIÓNPuerto USB.• El puerto USB 3.0 cuenta con 9 (2 de Tx, 2 de Rx )

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1.- Vbus (+ 5 volts, alimentación)2.- D- (- datos)3.- D+ (+ datos)4.- GND (tierra)5.- StdA_SSRX- (Recibe datos)6.- StdA_SSRX+ (Recibe datos)7.- GND_DRAIN (tierra-drenado)8.- StdA_SSTX- (Envía datos)9.- StdA_SSTX+ (Envía datos)

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PUERTOS DE COMUNICACIÓNPuerto USB.

55PUERTOS DE COMUNICACIÓNPuerto Serial.Puerto serial, puerto COM, puerto de comunicaciones y puerto RS-232 ("Recomended Standard-232"), hacen referencia al mismo puerto.

Se le llama serial, porque permite el envío de datos, en serie, La sigla COM es debido al término ("COMmunications"), que traducido significa comunicaciones. Es un conector semitrapezoidal de 9 terminales, que permite la transmisión de datos desde un dispositivo externo (periférico), hacia la computadora; por ello es denominado puerto.

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PUERTOS DE COMUNICACIÓNPuerto Serial.• Son adaptadores que se utilizan para enviar y recibir

información de BIT en BIT fuera del computador a través de un único cable y de un determinado software de comunicación.

• Un ordenador o computadora en serie es la que posee una unidad aritmética sencilla en la cual la suma en serie es un calculo digito a digito

• Los voltajes enviados por los pines pueden ser en 2 estados, encendido o apagado. • Encendido (valor binario de 1) significa que el pin esta

transmitiendo una señal entre -3 y -25 voltios, • Apagado (valor binario de 0) quiere decir que esta

transmitiendo una señal entre +3 y +25 voltios

57PUERTOS DE COMUNICACIÓNPuerto Serial.1.- DCD (Detecta la portadora)2.- RxD (Recibe datos)3.- TxD (Transmite datos)4.- DTR (Terminal de datos listo)5.- SG (Tierra)6.- DSR (Equipo de datos listo)7.- RTS (Solicita enviar)8.- CTS (Disponible para enviar)9.- RI (Indica llamada)

58Velocidad del puerto: 112 KB/s

unidad 2-manejo de puertos

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