Achiziție paralelă

Sistemul de achiziție paralelă de date reprezintă un ansamblu electronic de preluare a valorilor unor mărimi fizice din mediul exterior, proiectat și construit cu scopul de a asigura o monitorizare simultană sau cvasi-simultană a parametrilor achiziționați.

În cele mai frecvente configurații, structura este bazată pe unul sau mai multe convertoare analog-numerice (CAN sau Analog-to-digital converter^{⁠(en)[traduceți]}), însă în lanțul de măsurare pot fi integrate și diverse tipuri de traductoare complexe. În secțiunile următoare, accentul este pus pe conversia semnalelor în format digital, etapă esențială care are ca scop prelucrarea ulterioară a informației obținute în urma procesului de achiziție..

Domenii de aplicabilitate

Exemplu de senzori distribuiți într-un sistem auto.

Pornind de la definiție, domeniile de aplicabilitate vizează acele cazuri în care este necesară preluarea de date de la o multitudine de senzori, în medii cu o dinamică rapidă și unde se dorește o întârziere (latență) cât mai mică între momentul eșantionării și cel în care valorile digitale devin disponibile. Aceste cerințe sunt specifice majorității sistemelor în timp real, unde factorul temporal este critic și unde există restricții stricte în ceea ce privește timpul de răspuns al arhitecturii electronice.

O altă categorie de aplicații în care se utilizează cu succes metoda achiziției paralele de date este reprezentată de sistemele supuse unui nivel ridicat de zgomot de fond. Avantajul constă în disponibilitatea simultană a datelor din mai multe surse, permițând implementarea unor algoritmi de filtrare pentru eliminarea cel puțin parțială a perturbațiilor. În acest context, o sincronizare cât mai exactă a canalelor de achiziție devine imperativă.

De asemenea, achiziția paralelă este esențială în sistemele în care declanșarea convertoarelor analog-numerice (CAN) este comandată de evenimente asincrone, a căror apariție nu poate fi anticipată. Într-o astfel de configurație, dacă două evenimente consecutive au loc la un interval de timp mai mic decât durata unei singure conversii, fidelitatea datelor nu mai poate fi garantată prin metode de multiplexare. Prin urmare, în aceste arhitecturi se evită utilizarea unui singur convertor cu mai multe canale comutate succesiv, optându-se pentru structuri paralele dedicate (întâlnite la aparatele speciale de măsură, echipamentele de laborator etc.).

Exemple de sisteme și domenii în care achiziția paralelă este utilizată cu rezultate notabile:

• Sonar și sisteme de radiolocație;
• Detecția și monitorizarea mișcărilor seismice;
• Medicină (imagistică prin rezonanță magnetică, tomografie și echipamente de analiză);
• Echipamente de laborator specializate (de exemplu, citometre de flux);
• Industria auto (sisteme integrate de management al senzorilor și diagnosticare electronică).

Arhitectură

Arhitectura unui sistem de achiziție paralelă de date este, în cele mai multe cazuri, divizată în următoarele componente structurale:

• Senzori (sau traductoare);
• Circuite de condiționare a semnalului (limitare, filtrare și amplificare);
• Circuite de eșantionare și memorare (de tip Sample and hold^{⁠(en)[traduceți]});
• Unul sau mai multe convertoare analog-numerice (CAN / ADC);
• Module pentru prelucrarea preliminară a datelor (procesoare de semnal sau memorii tampon);
• Magistrale și module de comunicație între sistemul de achiziție și unitatea centrală de procesare.

Primele două componente nu prezintă particularități structurale față de sistemele de achiziție de date (SAD) secvențiale, ele fiind specifice procesului fizic și parametrilor de mediu care trebuie monitorizați. Restul componentelor însă pot fi multiplicate la fiecare nivel, în funcție de profunzimea până la care se dorește implementarea paralelizării. Cu cât este necesară o paralelizare la un nivel mai apropiat de intrarea analogică, cu atât costul de producție crește, deoarece implică adăugarea de componente hardware dedicate pentru fiecare canal.

La nivelul conversiei analog-numerice, se poate opta pentru un singur convertor rapid cu multiple canale multiplexate la nivelul blocurilor de eșantionare-memorare, sau se pot folosi mai multe convertoare independente ce funcționează simultan. Din punct de vedere arhitectural, în cel de-al doilea caz este critic să se asigure o lățime de bandă suficientă pentru ca fluxul cumulat de date de la convertoare să nu satureze canalul sau magistrala de comunicație. Ideal, pentru a evita blocajele, durata procesului de conversie nu trebuie să fie mai scurtă decât durata fizică de transmitere a datelor pe magistrală.

În cazul în care convertoarele sunt gestionate de nuclee de comunicație dedicate, există două abordări principale pentru organizarea fluxului:

1. Configurația de tip Master/Slave (Stăpân/Sclav): asigură un control Predictibil și centralizat, însă poate deveni un punct de gâtuire în sisteme mari;
2. Configurația asincronă / independentă: nucleele acționează autonom, concurând pentru accesul la magistrala comună prin arbitrare. Această soluție este mult mai scalabilă, deși necesită mecanisme mai complexe de control al coliziunilor.

Un alt element critic în arhitectură este soluția tehnică aleasă pentru transferul de date către unitatea de procesare. În cazul sistemelor de mari dimensiuni, cu un număr ridicat de senzori distribuiți (care pot măsura mărimi fizice diferite), unitatea centrală de calcul se poate afla la o distanță considerabilă de punctele de achiziție. Acest context impune utilizarea unor protocoale de comunicație eficiente, adaptate cerințelor de distanță și debit:

• Protocoale de rețea la nivel industrial sau local: Ethernet, IP;
• Magistrale de teren și industriale diferențiale: EIA-485^{⁠(en)[traduceți]}, Controller area network^{⁠(en)[traduceți]};
• Magistrale de comunicație serială la nivel de circuit integrat: Serial Peripheral Interface Bus^{⁠(en)[traduceți]}, I²C.

La selectarea protocolului optim se pun în balanță parametri precum viteza de transfer, determinismul transmisiei și distanța maximă de propagare. Protocoalele de rețea (Ethernet, IP) oferă o rază mare de acțiune și flexibilitate, dar introduc o latență mai mare din cauza stivei de protocoale, comparativ cu SPI sau I²C, care sunt magistrale sincrone de viteză mare utilizate exclusiv în interiorul echipamentelor compacte sau pe aceeași placă de circuit.

Avantaje

Utilizarea unui sistem de achiziție paralelă de date prezintă avantaje majore, în special în aplicațiile complexe unde volumul de informații colectate simultan este critic. Printre cele mai importante beneficii se numără:

• Maximizarea performanței prin eliminarea multiplexării: Spre deosebire de sistemele secvențiale, unde timpul dedicat conversiei este divizat între canalele multiplexate, arhitectura paralelă permite realizarea de conversii continue și simultane. Acest lucru optimizează randamentul hardware-ului, făcând ca singurul factor limitator al vitezei să fie timpul nominal de conversie al convertoarelor analog-numerice (CAN/ADC) utilizate, și nu comutarea canalelor. Într-o proiectare eficientă, pragul maxim de viteză este impus direct de limitele tehnologice ale convertoarelor, a căror înlocuire ar implica costuri nejustificate.
• Scalabilitate independentă de latența sistemului: Deoarece fiecare canal beneficiază de propria structură de eșantionare și conversie, performanța globală a procesului de achiziție nu mai este afectată în mod direct de numărul de mărimi fizice monitorizate. Adăugarea unei noi intrări analogice în sistem nu va introduce întârzieri suplimentare și nu va degrada rata de eșantionare a celorlalte canale, așa cum se întâmplă în cazul sistemelor bazate pe multiplexare temporală.
• Sincronizare temporală perfectă: Permite capturarea stării exacte a unui sistem complex într-un moment de timp dat, un aspect crucial în analiza semnalelor corelate (cum ar fi monitorizarea seismică, aplicațiile sonar sau diagnosticarea electronică în industria auto).

Vezi și

• Wikipedia: Memorie paralelă

Bibliografie

• http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cyto.990100307/pdf
• http://plan.geomatics.ucalgary.ca/papers/phd_thesis_cillian_odriscoll_jan07.pdf Arhivat în 8 ianuarie 2013, la Wayback Machine.
• http://www.springerlink.com/content/k4721wpx823r53p2/fulltext.pdf^{[nefuncțională]}
• http://ecobiotrans.bio.unibuc.ro/dotare/index.html Arhivat în 11 iulie 2010, la Wayback Machine.