Zpracování informací (kombinované studium)

Ústav automatizace a informatiky Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně

Přednáška č. 1 z předmětu

Zpracování informací (kombinované studium) © Ing. Radek Poliščuk, Ph.D. Tato publikace vznikla jako součást projektu CZ.04.1.03/3.2.15.2/0285 „Inovace VŠ oborů strojního zaměření“, který je spolufinancován evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Zpracování informací, přednáška 1.

1/19

Obsah přednášky Přednáška 1 – Úvod do zpracování informací cíle předmětu a organizace výuky pojmy DATA a INFORMACE povaha dat způsoby získávání dat základní druhy snímačů způsoby shromažďování dat metody přenosu dat


2/19

Organizace výuky Cílem předmětu je stručné seznámení všech studentů profesních oborů BS na FSI s pojmy, prostředky a metodami v oborech zpracování dat a informací. Výuka je členěna do tematických bloků a je organizována formou: úvodních přednášek (5×3 hodiny, prezentace přístupné v Moodle): získávání a sběr a organizace dat principy relačních databází, základy SQL metody zpracování a prezentace dat

konzultací samostatně řešených semestrálních prací volba a vypracování úlohy na téma zpracování dat (DB aplikace, analýza dat, rešerše na oborové téma)

Udělení zápočtu je podmíněno vypracováním a předvedením semestrální práce na schválené téma. od požadavku na semestrální práci může být upuštěno na základě výborného výsledku elektronického kontrolního testu


3/19

DATA a INFORMACE původní význam:

„informatio“ (GR, LAT) = uvádět v tvar, formovat...

středověk (~16.stol.): „informovat“ (FR/EN/ES) = instruovat, poskytovat znalosti ( ~ „formovat povědomí“) Dnes?

- devalvace původního významu, - účelové zaměňování pojmů DATA a INFORMACE - snaha o aplikaci i v naprosto nesouvisejících oborech

A kde se vlastně ty „informace“ berou?

Realita

DATA

Informační systém

Informace Příjemce


4/19

DATA a INFORMACE Realita

DATA

Informační systém

Informace Příjemce

DATA = objektivní, zaznamenatelné hodnoty, fakta odvozená od reality konkrétní data mohou být zatíženy náhodnou a nebo systematickou chybou z povahy daného jevu mohou být logická (ano/ne), ordinární a nebo spojitá. objem dat je možné měřit - na bity 0/1 , slabiky (bajty) 27 26 25 24 23 22 21 20 , slova...) INFORMACE = odstraněná neurčitost, výsledek interpretace dat použitým IS. informace nemusí být nutně objektivní (může jít i o chybnou interpretaci)! objem informace ~ objem dat nezbytných k jejímu vyjádření přenesení informace ještě nutně neznamená její pochopení příjemcem DATA bez nástrojů pro interpretaci v nich uložené informace jsou jen balast. Data sbíráme proto, aby bylo možné rozhodovat na základě informací a ne na základě dohadů, doměnek, pocitů, nálady, toho „co se říká“ (v televizi, v tisku, „na internetu“, u piva...). Je potom jen na Vás, jak svá data interpretujete – o tom je zpracování informací. Zpracování informací, přednáška 1.

5/19

Povaha dat Druhy zaznamenávaných dat („signálů“): Logické veličiny (pravda/nepravda, hodnota jednoznačně větší/menší než mez) „spínač je sepnutý“, „žárovka svítí“, „přehrada přetéká“, ...

Ordinární veličiny (celočíselné, diskrétní...): ∃ výčet možných hodnot, min/max. „stojím ve frontě na 3. místě“, „na kostce mi padla šestka“, ...

Spojité veličiny (neceločíselné): zápis číslem možný jen za cenu zaokrouhlení „aktuální rychlost vozu je ... km/h“, „obvodem prochází proud ... mA“, „je ... hodin.“ ... data bývají zatížena systematickou (chyby přenosové charakteristiky, možno korigovat) a náhodnou chybou (nelze korigovat, jen potlačit – filtrací, integrací plovoucím oknem, zaokrouhlením...)

Sériové veličiny: jednotlivé elementy mají smysl jen v rámci posloupnosti texty (slova a věty složené z ordinárních elementů), zvukové vzorky (analog/dig), ...

Související binární datové formáty: boolean: jednotka záznamu = 1 bit (BInary uniT), možné hodnoty False~0, True~1 byte/word/dword/longword, resp. shortint/smallint/integer/int64: seskupení bitů single/double/extended: pro diskretizovaný zápis spojitých veličin (mantisa+exp) string, array: pro jedno- a vícerozměrné záznamy datové struktury: tam kde je nutné seskupovat údaje ze zdrojů různého typu Zpracování informací, přednáška 1.

6/19

Povaha dat – spojité veličiny Spojité veličiny je technicky možné zpracovávat analogově a nebo digitálně: analogové zpracování: signál je zpracováván i archivován jako spojitá veličina např. teploměr, gramofon, magnetofon, video, kinofilm, rádio, televize, ... ne vždy musí jít o „horší a zastaralou“ metodu než digitální (viz DVB-T v ČR...). i digitální záznam je ve své fyzikální podstatě vždy analogový. digitální zpracování: signál je nutné kvantovat a u záznamů navzorkovat vzorkování = rozdělení na časové úseky, v rámci kterých danou hodnotu můžeme (a budeme) považovat za konstantní kvantování = naprahování diskrétních úrovní ve spojité veličině

hodnoty[kvanta]

nemá smysl zaznamenávat s rozlišením vyšším než je náhodná chyba (šum) každý snímač má svůj dynamický rozsah (práh citlivosti a technolog. maximum), které je vhodné zohlednit při volbě datového formátu (mapování a počet úrovní) před záznamem je možné provést korekci systematických chyb daného snímače: aditivní chyby: konstantní posun hodnot nahoru/dolů multiplikativní chyby: změna sklonu přenosové křivky s hodnotou chyby linearity: lokální odchylky od jinak lineárního průběhu (nasycení apod.) hystereze: přenosové zpoždění reálné hodnoty na snímači

čas [vzorky]


7/19

Základní druhy snímačů Snímač = část měřícího řetězce, která je v přímém styku s měřeným prostředím, citlivá část snímače (snímač=senzor=detektor) bývá označována jako čidlo převádí měřenou fyzikální veličinu na jinou, kterou jsme schopni vyhodnocovat (pro elektronické zpracování musí být výstupem snímače vždy elektrický signál) Digitální zpracování dle typu signálu: Logické signály (princip komparátoru) Spojité signály (A/D převodníky) opět na principu komparátoru, se schodovitým referenčním napětím

Měřené veličiny: elektrické (napětí, proud, odpor...) polohové (poloha, rychlost, zrychlení) silové (napětí/síla/moment/tlak/zvuk) proudění (průtok/výška hladiny/viskozita) teplotní (teplota, teplotní pole) fotometrické (intenzita, barva, spektrum)


8/19

Senzory – elektrické veličiny Měření elektrického napětí a potenciálu elektrostatické (elektroskopy – sledování statického náboje) elektromagnetické (ručičkové voltmetry, galvanometry) komparační (digitální voltmetr, cyklické porovnávání se schodovým signálem) můstkové (regulace rovnovážného stavu na Wheatstonově můstku) Měření elektrického proudu, odporu a dalších veličin magnetoelelektrické ampérmetry (obdoba EM voltmetru, min. odpor) elektrodynamické ampérmetry (místo perm. magnetu elektromagnet) digitální ampérmetry (měření úbytku proudu na známém odporu) Ohmův zákon: U=R×I I=U/R R=U/I (při známém U a I je možné měřit i R, více viz elektrotechnika) voltmetr se zapojuje paralelně (maximální vlastní odpor) ampérmetr se zapojuje sériově (minimální vlastní odpor)

Kapacita C[F], Frekvence f[Hz], fáze [%], Indukčnost L[H] – (konzultace) Všechny veličiny určené pro digitální zpracování je nutno převést na elektrické. Laboratorní měřící přístroje mohou být spojovány s PC pomocí IrDA, RS-232, USB... V průmyslu se na krátké vzdálenosti používají karty v PLC, jinak se používají digitální moduly na datové sběrnici. Zpracování informací, přednáška 1.

9/19

Senzory – polohové veličiny Dosažení polohy („koncové spínače“) - skoková změna napětí/proudu/odporu: mechanické (sepnutí vodivého kontaktu při „najetí“ tělesa, nutno ošetřit jiskření) magnetické (sepnutí řízené magnet. polem – jazýčková relé, Hallovy snímače..) optické (protnutí světelné závory, skoková změna intenzity jasu na fotodiodě,...) Měření polohy – plynulá změna napětí/proudu/odporu: mechanické potenciometry (rovná, kruhová nebo šroubovicová odporová dráha) rotační clonkové enkodéry (absolutní nebo inkrementální s čítačem) radarové snímače (intenzita odrazu, úhel dopadu, fáze vůči ref. svazku) zvukové snímače (intenzita – MIKROFON, doba odrazu – SONAR) gyroskopy (mechanické, optické) – měření orientace vůči start. poloze Měření rychlosti - otáčkoměry (tachometry),... senzory polohy je při vhodném vzorkování možné použít i k měření rychlosti, dále tachometry s komutátorem (jiskření!), alternátory (~U), Hallovy snímače (stejnos.U) Prandtlova trubice (rozdíl mezi tlaky ve směru pohybu a kolmo k němu – viz měření tlaku) Měření zrychlení – akcelerometry, seismometry: akcelerometry je nutno provozovat mimo pásmo vlastních frekvencí (rezonance!) piezoelektrické/kapacitní, měří se výchylky pružně uložené „seismické hmoty“ (jde tedy o měření setrvačných sil...) Zpracování informací, přednáška 1.

10/19

Senzory – silové veličiny Síly a momenty – transformace síly na deformaci mechanické siloměry (viditelná elastická deformace) elektrické tenzometry (změna el. parametrů se zátěží)

odporové (piezorezistence = změna R při pružné deformaci materiálu) kapacitní (změna kapacity při vzdálení desek kondenzátoru) piezoelektrické (vznik napětí při deformaci piezokrystalů)

Tlaky – mechanická transformace tlaku na sílu a deformaci (P=F/S) Statické: Absolutní (>vakuum), diferenční (přetlak vůči okolí) a manometrické (rozdíly) mechanické: trubicové, membránové, krabicové a vlnovcové manometry

elektrické: kapacitní (kondenzátor s deformovanou deskou), odporové a piezo tenzometry

Dynamické (zvuk=akustický tlak) – mikrofony uhlíkové (stlačováním grafitového prášku pod membránou se mění jeho vodivost); piezoelektrické (separací náboje na deformovaných krystalech vzniká el. napětí); elektromagnetické (pohybem feromagnetické kotvy uvnitř cívky vzniká napětí) a elektrodynamické (pohyb cívky nebo pásku v magnet. poli – mechanicky výhodnější); kondenzátorové (deformací vodivé desky se mění kapacita napájeného kondenzátoru) elektretové (=kondenzátorové, s nabitou vrstvou „elektretu“ na pevné elektrodě; nutný předzesilovač) 11/19 Zpracování informací, přednáška 1.

Senzory - tekutinové Hladinové snímače: mechanické polohové snímače („koncák s plovákem“, vodoznaky...) tlakové snímače v referenční hlobce (P=hρg) sonar/radar (odraz od hladiny v cisterně, odraz dna proti plovoucí lodi) elektrické spínače u vodivých kapalin Optické spínače (vyšší index lomu tekutiny „zneviditelní“ odrazový hranol) Snímače průtoku - objemové/hmotnostní, rychlostní (anemometry): metodika závisí na typu proudění (laminární/turbulentní) a uzavřenosti systému většina snímačů potřebuje „minimální průtok“, od kterého má měření smysl: plovoucí bójka+stopky (princip měření rychlosti v „uzlech“) plováčkové průtokoměry (výchylka plováčku ve svisle vzhůru proudící tekutině), snímače s převodem na deformaci (proud tekutiny vychyluje měřící „pádlo“) turbínové průtokoměry (lopatkové kolo nebo axiální turbínka v proudu tekutiny) rychlostní trubice (Pitotova, Prandtlova: rozdíly tlaků kolmo a ve směru proudění) Venturiho trubice (úbytek tlaku za dýzou známého tvaru v uzavř. systému, měřeno před a za), vodoznaky (v místech se známým otevřeným profilem), měrné přelivy (rozdíl hladin před a za) ultrazvukové průtokoměry (zvukové vlny unášené proudem tekutiny se šíří rychleji) indukční průtokoměry (u vodivých tekutin v magnet. poli – Hallův efekt) termoanemometry (rychlost proudění ovlivňuje teplotu tekutiny ohřívané známým příkonem)

malé průtoky lze měřit v laminární „boční větvi“ o známém průřezu („shunt“, LFE). Zpracování informací, přednáška 1.

12/19

Senzory – teplotní veličiny Kontaktní metody (měřené těleso je v přímém kontaktu s teploměrem) teplotu je možné odečítat až po vyrovnání teplot teploměru s objektem kapalinové teploměry (olej, líh, rtuť...) - na principu rozpínání média odporové teploměry (kovy, polovodiče) – změna el. odporu s teplotou kontaktní barevné indikátory (chemické, tavné, LCD...) Bezkontaktní metody pyrometry (analýza emisního spektra žhavého tělesa)

termovize (snímání intenzit vyzařování v IR části spektra)


13/19

Senzory - fotometrické Světlocitlivé prvky (fotosenzory, expozimetry, dozimetry...) fotochemické (expozicí fotocitlivé vrstvy elektromag. zářením katalyzována chemická reakce) fotorezistory (fotoexcitací elektronů v polovodiči /Se, CdS/ se zvyšuje vodivost a klesá odpor) fotonky (osvětlení žhavené katody elektronky řídí proud elektronů) fototranzistory (fotoexcitací elektronů v řídící vrstvě je regulováno zesílení) fotodiody a fotovoltaické články (fotoexcitací elektronů v N vrstvě vzniká el. potenciál proti P) Záznam obrazu (promítání na fotocitlivé elementy v obrazové rovině) vidicon, orthicon (řádkováním svazku elektronů na fotorezistivní anodě vzniká videosignál) CCD snímače (sériové snímání náboje v poli fotodiod) CMOS snímače (přímo adresované fototranzistory) Záznam barevné informace napodobení schopnosti lidského oka vnímat jas nezávisle v kanálech R, G a B paralelní (tříkanálová) nebo prokládaná řešení (Bayerovo schéma) Záznam spektra (rozlož.hranolem) bodové spektrum (linie) liniové spektrum (plocha) Zpracování informací, přednáška 1.

14/19

Získávání dat (Data Acquisition) Manuální zadávání údajů (operátor u počítače...) nulová automatizace, plýtvání výpočetním výkonem a často i kvalifikací obhajitelné jedině u aplikací s velmi nízkou záznamovou frekvencí a tam kde jiné řešení technicky ani není možné (např. diktování údajů po telefonu, komunikace s partnery s „nedefinovatelnou“ kvalifikací a pod.) Nepřímý sběr údajů (skenovatelné formuláře, off-line datová média) částečná automatizovatelnost sběru dat, usnadnění práce operátora použitelné jen pro data, která nejsou časově kritická (ekonomické přehledy, výsledky písemek...) Přímý záznam elektronických dat z připojených terminálů (on-line, client→server) plně automatizovatelné řešení, bez potřeby „operátora“ (stačí jen dohled) data mohou pocházet z připojených snímačů i z on-line klientských aplikací tak jako se dnes „klávesnice terminálů“ nepřipojují přímo k serveru, tak i snímače jakýchkoliv veličin se dnes (až na speciální laboratorní aplikace) nepřipojují k záznamovému počítači/serveru přímo, ale prostřednictvím převodníků a PLC.


15/19

Získávání dat (Data Acquisition) Pro archivační a analytické účely bývá výhodné centralizované shromažďování dat: stačí jediné datové úložiště (část ušetřených prostředků je výhodné využít na zálohování!) snadné zabezpečení datové konzistence (systém Klient – Server) při provádění analýz není nutná intenzivní komunikace („stahování“ dat), data jsou k dispozici „na požádání“ bez zbytečných prodlev. centralizace má ale smysl jen pro související data, v opačném případě představuje spíš riziko (výpadek místo jediného systému vyřadí i ostatní). technická úroveň použitého vybavení se volí s ohledem na typ úlohy: jednoduché řídící signály bez potřeby dodatečné kontroly => lokální regulátory a mikrořadiče. nenáročný sběr dat pro server, obvykle s možností zpětné vazby => průmyslové terminály mnoho řídících signálů, logické operace, spolehlivé a rychlé reakce => programovatelné automaty potřeba složitějších/rozsáhlejších analýz, objemnější data a záznamy => řídící počítače (PC,...) dočasná/provizorní/RAD řešení bez nároků na spolehlivost => počítače s měřícími kartami výpočetně nebo objemově mimořádně náročné úlohy => superpočítače, serverové farmy.


16/19

Přenos dat Přenášet by se měla jen data, která má smysl přenášet, archivovat a analyzovat. (Lokální data typu reg. parametrů zpracovávat na místě). Při výběru typu přenosové linky se musí zohlednit: Rušení a útlum spojité analogové signály je problematické přenášet na dálku (šum, impulsní chyby,...); digitální data je možné zabezpečit vhodnou modulací a detekčními/korekčními kódy; „životně důležitá“ a časově kritická data NIKDY nepřenášet nespolehlivým kanálem!

Druhy používaných modulací


Morseova abeceda

RS 232/422/485

17/19

Přenos dat Přenosová vzdálenost a rychlosti dle typu média: RS232: sériová linka A-B, přenos napěťovými úrovněmi (3V), 2-7 vodičů, max. 15 metrů při 9600b/s RS422: proudová smyčka (5V) A-B, až 10Mb/s na 12m nebo, 100kb/s až 1200m, odolnost proti rušení RS485: proudová smyčka, multi-point (stačí 2 vodiče), ostatní parametry jako RS422. USB (Universal Serial bus, Low/Full/High/Super Speed 1,5/12/480/4800Mb/s): <128 zařízení, max 5,5m. IEEE1394/FireWire/iLink/DV-link (100/400/800mb/s, 4 nebo 6 kroucených vodičů): <64 zařízení, 100/4,5m Analogová telefonní linka (PSTN - Public switched telephone network) + modem: až 33kb/s (garant.9600) Digitální telefonní linka (ISDN - Integriertes Sprach und Daten Netz): až 2×64kbps, dnes spíš rarita Ethernet: koaxiální, kroucená nebo optická linka, CSMA/CD signalizace, 3/10/100/1000Mbps/10Gbps

Přenosové protokoly „aplikační“ (jen pokud garantujeme softwarovou část na obou koncích - typické u RS232) Fieldbus (Modbus/Profibus/CAN/CANopen): Master-Slave standardy pro komunikaci mezi PC, PLC a řadiči jednotlivých zařízení, připojených k jediné multi-point sběrnici (přenos registrů, datových bloků...). ISO/OSI protokoly na běžném CSMA/CD ethernetu nemají zaručenou doby přenosu! Ethernet paket (PAM-5 modulace) => v průmyslu se používá jen k „high level“ řízení. RS 232/422/485


18/19

Přenos dat ISO-OSI model přenosu dat (ISO 7498, 1983)

19/19

Zpracování informací, přednáška 1. zdroj: cs.wikipedia.org

Shrnutí Abychom získali INFORMACE, potřebujeme DATA. Technická data získáváme měřením a sledováním. Logické a spojité veličiny (signály) měříme pomocí snímačů (senzorů). Pro elektronické zpracování je nutný převod do formy elektrického signálu (U,I...). Pro digitální zpracování se signály vzorkují (v čase) a kvantují (A/D). Data ze senzorů obvykle potřebujeme někam přenést, archivovat a analyzovat. Technickou úroveň přenosu a archivace přizpůsobujeme rozpočtu dané úlohy.

V pokračování si vysvětlíme co jsou to Relační databáze a SQL...


20/19

Zpracování informací (kombinované studium)

Recommend Documents