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Multiplexing: cos'è e come funziona?

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I multiplexer sono dispositivi utilizzati per aumentare la quantità di dati acquisiti e trasmessi, ottimizzando così le connessioni e i costi per singolo canale.

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Nei sistemi di acquisizione dati, un multiplexer può essere definito come un circuito o un dispositivo che seleziona e combina più segnali di ingresso in una singola linea di uscita.

Il segnale generato dai trasduttori di un sistema di acquisizione dati non è generalmente adatto all'elaborazione diretta da parte dell'unità che genera un algoritmo di controllo. Normalmente deve esserci una fase di elaborazione del segnale in cui vengono eseguite tutte le operazioni necessarie per trasmettere correttamente il segnale. La misurazione comporta anche la memorizzazione diretta dei dati nella memoria di un processore numerico.

Il segnale condizionato è tipicamente sottoposto al multiplexing a divisione di frequenza (FDM) o al multiplexing a divisione di tempo (TDM). In quest'ultimo caso, il collegamento delle uscite delle varie catene alla memoria del sistema è sequenziale, cioè in un ordine predeterminato.

In ogni catena di misura, i segnali analogici vengono trasformati in segnali digitali da un convertitore analogico-digitale (ADC) e poi codificati secondo la rappresentazione del valore della grandezza e adattati al campo di ampiezza (amplificazione programmata).

Nei processi industriali controllati, ci sono di solito decine di sensori, quindi non è conveniente riservare un sistema dedicato di acquisizione dati - compresa l'amplificazione, la conversione A/D, ecc. Questo è il motivo per cui l'acquisizione dei dati richiede uno stadio di multiplexing del segnale in ingresso in un unico canale di acquisizione, che viene implementato mediante specifici dispositivi noti come multiplexer.

Definizione

Un multiplexer è un sistema di ingressi multipli e una sola uscita per ricevere i segnali provenienti da più reti di acquisizione. Il dispositivo trasferisce tutti i segnali di ingresso ad un microprocessore, che riceve ed elabora i dati, li trasmette ai dispositivi di uscita e controlla il sistema nel suo complesso.

Con il multiplexing, un sistema di misura è in grado di canalizzare in sequenza più segnali ad un unico convertitore digitale, fornendo così un mezzo economico per aumentare il numero di canali del sistema. Un multiplexer è costituito da una serie di interruttori e fornisce una significativa riduzione dei costi utilizzando un solo convertitore A/D per ingressi multipli. Come tale, un multiplexer può essere considerato un circuito o un dispositivo che permette di condividere la capacità disponibile di un singolo collegamento tra più canali di trasmissione.

Attraverso i pin del selettore, un solo e unico ingresso può comunicare con l'unica uscita. L'unità di controllo scansiona tutti gli ingressi in sequenza e li legge ad una velocità che rispetta il teorema di campionamento per il segnale dato.

In sostanza, i multiplexer sono usati per aumentare la quantità di dati che possono essere trasmessi su una rete con una data larghezza di banda in un determinato periodo di tempo.

Tipi

Esistono multiplexer sia per segnali digitali che analogici. Un multiplexer digitale ha segnali di ingresso digitali provenienti da più reti di acquisizione dati. Il dispositivo trasferisce questi segnali di ingresso ad un sistema di elaborazione, tipicamente un microprocessore, che riceve ed elabora i dati, li trasmette ai dispositivi di uscita e controlla il sistema nel suo complesso. Un multiplexer analogico è un dispositivo che permette di commutare n canali analogici in un unico canale di uscita analogico. Questa commutazione è controllata da un segnale digitale che codifica il canale di ingresso da selezionare. Un multiplexer analogico può essere single-ended o gestire ingressi differenziali. In un multiplexer single-ended, il dispositivo è impostato per commutare singoli canali analogici, mentre un multiplexer differenziale può essere usato per segnali differenziali.

Il sistema di multiplexing a sicurezza intrinseca G.M. International D2000 è disponibile per applicazioni digitali o in campo di temperatura. Più specificamente, la serie comprende un'unità gateway (D2050M), schede di espansione a 16 ingressi per ricevere temperature da termocoppie, RTD, segnali mV o mA (D2010M, D2011M), una scheda di espansione digitale a 32 ingressi (D2030M) e ripetitori di segnale con uscite a relè SPDT (D2052M) o con uscite a collettore aperto (D2053M).

Nelle applicazioni tipiche, il gateway (D2050M) installato nella zona sicura offre una comunicazione a sicurezza intrinseca a 2 fili, alimentando le schede di I/O (D2010M, D2011M, D2030M) sia con il segnale che con l'alimentazione. Posizionate vicino ai sensori, queste schede di I/O acquisiscono e trasmettono i dati al gateway, che poi invia un segnale di uscita fieldbus (Modbus ridondante) o seriale (RS232) ad un PLC/DCS nella zona sicura. I risparmi sui costi del cablaggio e delle schede di I/O a bordo dell'unità di controllo sono sostanziali, combinati con l'ottimizzazione del sistema di acquisizione dati.