Jak sestavit kompaktní systém sběru dat

Sběr dat („data acquisition“, DAQ) je klíčovou funkcí v různých výzkumných a technických činnostech, od validace a ověřování návrhu až po kromě jiného zrychlené testování životnosti a výroby. Zatímco klíčové prvky systému DAQ jsou jednoduché – senzory, měřicí hardware a software – dál mohou být věci komplikovanější.

Systém může vyžadovat měření široké škály fyzikálních jevů, takže musí být flexibilní a škálovatelný a zároveň odolný a spolehlivý, přičemž faktorem jsou vždy náklady. V důsledku toho jsou specifikace a sestavení systému DAQ složité. Pokud je systém specifikován příliš, bude jeho použití nákladné a potenciálně těžkopádné. Pokud není specifikován dostatečně, nebude vhodný pro současné nebo budoucí úkoly. K vyřešení tohoto dilematu mohou konstruktéři použít modulární přístup, který začíná robustním, vysoce výkonným šasi s více sloty pro další výkon zpracování, funkcí a možnosti připojení, které mohou být časem vyžadovány.

V tomto článku jsou shrnuty metriky výkonu systémů DAQ, kterých si musí být specifikátoři vědomi, včetně digitalizace analogových signálů, Nyquistova vzorkovacího teorému a aliasingu, vstupních rozsahů, vzorkovacích frekvencí a multiplexovaného versus simultánního vzorkování. Poté je zde představen modulární přístup založený na analogových a digitální I/O modulech šasi CompactDAQ společnosti National Instruments a softwarových komponentách včetně možností vývojového prostředí, ovladačů a nástrojů pro analýzu/hlášení.

Požadavky DAQ a metriky výkonu

Jak již bylo zmíněno, DAQ na základní úrovni zahrnuje senzory, kondicionování signálu, analogově-digitální převodníky (ADC), procesory a související software (obrázek 1). Úkolem konstruktérů je sladit prvky systému s tím, co se měří a analyzuje, a zároveň udržet na uzdě náklady a dobu nastavování.

Obrázek 1: Systémy DAQ se skládají ze senzorů, měřicích zařízení DAQ, která zajišťují kondicionování signálu a převod dat, a výpočetních zdrojů, které zahrnují ovladače a aplikační software. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Ke sladění prvků je důležité pochopit, že základními parametry systému DAQ jsou přesnost, amplituda signálu a frekvence signálu. Ty se příslušně promítají do rozlišení měření, rozsahu a rychlosti. V mnoha aplikacích je tím nejdůležitějším faktorem rozlišení. Rozlišení definuje počet dostupných naměřených hodnot. Například zařízení s 3bitovým rozlišením může měřit 8 možných hodnot (2³), zatímco zařízení se 6bitovým rozlišením může měřit 64 (2⁶) možných hodnot (obrázek 2). Vyšší rozlišení se promítá do měření, která přesněji vyjadřují signál.

Obrázek 2: Přesnost v zařízení DAQ se převádí do rozlišení. Zařízení DAQ se 6bitovým rozlišením poskytuje 8krát větší množství informací (je 8krát přesnější) než zařízení s 3bitovým rozlišením. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Daný ADC bude nastaven na měření v nastaveném vstupním rozsahu, jako je ±10 voltů, a rozlišení zařízení DAQ se vztahuje na celkový rozsah. Pokud se měření provádí v menším rozsahu, například ±2 volty, výsledkem je měření se zlomkem (v tomto případě asi 20 %) specifikovaného rozlišení zařízení DAQ (obrázek 3). Tento problém může vyřešit použití zařízení DAQ s volitelnými vstupními rozsahy. Běžné vstupní rozsahy zahrnují ±10 voltů, ±5 voltů, ±1 volt a ±0,2 voltu. Škálování vstupního rozsahu tak, aby odpovídal rozsahu signálu, vede k vyšší kvalitě měření.

Obrázek 3: Použití zařízení DAQ s 3bitovým rozlišením a rozsahem ±10 voltů (červené čáry vlevo a příslušně žluté tečkované čáry v horní a dolní části rozsahu) k měření signálu ±2 voltů (bílá sinusoida) má za následek významnou ztrátu přesnosti. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Vzorkovací frekvence, Nyquist a převzorkování

Vzorkovací frekvence je rychlost, kterou ADC převádí analogový vstup na digitální data. Vzorkovací frekvence a rozlišení mohou být nepřímo korelovány. Vyšší vzorkovací frekvence je často možná pouze snížením bitů rozlišení, protože vyšší rychlost umožňuje ADC méně času na digitalizaci signálu. V důsledku toho je důležité optimalizovat vzorkovací frekvenci.

Zde přijde vhod Nyquistův vzorkovací teorém: Uvádí, že vzorkovací frekvence, f_s, která překročí dvojnásobek maximální frekvence signálu, bude mít za následek přesné měření frekvence původního signálu. Tato frekvence se nazývá Nyquistova frekvence, f_N. Pro přesné měření tvaru a frekvence původního signálu vyžaduje Nyquistův teorém, aby byla f_s 5- až 10násobkem maximální frekvence signálu. Použití vzorkovací frekvence vyšší než f_N se nazývá převzorkování.

Kromě porozumění frekvenci f_N jsou další výzvou aliasing a ghosting, které je třeba při optimalizaci f_s řešit. Aliasing je efekt, který způsobuje zkreslení spektra vzorkovaného signálu v důsledku příliš nízké vzorkovací frekvence na přesné zachycení vysokofrekvenčního obsahu. Převzorkování může aliasing eliminovat. Převzorkování je také užitečné pro zachycení rychlých okrajů signálu, jednorázových událostí a přechodných jevů. Pokud je však f_s příliš vysoká, může během multiplexovaného vzorkování nastat jev zvaný ghosting.

Při vysokých multiplexovaných vzorkovacích frekvencích se stává faktorem doba ustálení jednotlivých vstupních kanálů. Ke ghostingu dojde, když vzorkovací frekvence překročí dobu ustálení zařízení DAQ. V tomto bodě se signály na sousedních kanálech ruší, což vede ke ghostingu a nepřesným měřením (obrázek 4).

Obrázek 4: Vlevo je vzorkovací frekvence dostatečně nízká, aby umožnila správné ustálení mezi měřeními na kanálech 0 (červená) a 1 (modrá). Vpravo dochází ke ghostingu, protože vzorkovací frekvence je příliš vysoká a kanál 0 ovlivňuje měření na kanálu 1. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Efektivní vzorkovací frekvence zařízení DAQ je ovlivněna výběrem simultánní nebo multiplexované architektury. Simultánní vzorkování využívá jeden ADC na vstupní kanál a poskytuje plnou vzorkovací frekvenci na všech kanálech, nezávisle na počtu kanálů (obrázek 5).

Simultánní vzorkování umožňuje získat více vzorků najednou. Simultánní architektura je relativně drahá a zahrnuje více komponent, které mohou omezit počet kanálů dostupných v jednom zařízení DAQ. V multiplexované architektuře se používá multiplexer (mux) ke sdílení jednoho ADC mezi všemi kanály, čímž se snižuje maximální rychlost dostupná pro jednotlivé kanály. Vzorky jsou získávány v sérii se zpožděním mezi kanály. Multiplexované architektury stojí méně a mohou vést k zařízení DAQ s větší hustotou kanálů.

Obrázek 5: Simultánní vzorkování poskytuje plnou datovou rychlost na všech kanálech, zatímco u multiplexovaného vzorkování je plná vzorkovací frekvence sdílena mezi všemi kanály, což má za následek nižší rychlost na kanál. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Sestavení kompaktního systému DAC

Prvním krokem při sestavování systému DAC je výběr šasi CompactDAQ. Šasi jsou k dispozici s různými komunikačními sběrnicemi včetně PCI a PCI Express (PCIe), vysokorychlostní USB, PXI a PXI Express (PXIe) a Ethernet 2.0 a od jednoho do 14 slotů pro I/O moduly řady C společnosti NI. Například šasi 781156-01 má osm slotů a rozhraní USB 2.0 (obrázek 6). Další typy měření a kanály lze do systému přidat jednoduchým zapojením modulů. Všechny moduly jsou automaticky detekovány a synchronizovány s taktem základní desky šasi.

Obrázek 6: Šasi 781156-01 CompactDAQ má osm slotů a vysokorychlostní rozhraní USB 2.0. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Komunikační sběrnice je důležitou součástí specifikace šasi (tabulka 1). 60 Mbit/s dodávaných rozhraním USB je dostačujících pro většinu aplikací a USB má dobrou flexibilitu a přenositelnost. Ethernet může podporovat delší kabelové vzdálenosti a distribuované systémy DAQ ve fyzicky velkých aplikacích. Sběrnice PCI a PCIe umožňují připojení zařízení ke stolnímu počítači pro protokolování a analýzu dat. Sběrnice PXI a PXIe jsou podobné sběrnicím PCI a PCIe, ale nabízejí vynikající možnosti synchronizace, což umožňuje konsolidaci a porovnání velkého množství dat.

Tabulka 1: Výběr komunikačních sběrnic DAQ je důležitou součástí výběru šasi. Sběrnice by měla odpovídat požadovaným rychlostem přenosu dat, vzdálenostem a potřebě přenositelnosti. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Po výběru šasi si konstruktéři mohou vybrat z více než 60 modulů řady C pro měření, řízení a komunikační aplikace. K dispozici jsou moduly řady C, které lze připojit prakticky k jakémukoli senzoru nebo sběrnici a které umožňují vysoce přesná měření splňující požadavky DAQ a řídicích aplikací (obrázek 7). Tyto moduly s podporou hot swappingu poskytují kondicionování signálu specifické pro měření k filtrování šumu a izolaci dat, analogově-digitální převod a řadu vstupních konektorů.

Obrázek 7: Moduly řady C mají společný tvarový faktor, lze je zapojit za provozu do jakéhokoli šasi CompactDAQ a jsou k dispozici s řadou vstupních konektorů, aby vyhovovaly potřebám různých aplikací. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Moduly řady C lze použít pro mnoho DAQ a řídicích funkcí, včetně následujících:

• Analogové vstupní moduly mají až 16 kanálů pro konektivitu se senzory napětí, proudu a běžnými senzory pro měření teploty, zvuku, namáhání, tlaku, zatížení, vibrací a dalších hodnot.
  • Model NI 9239 je čtyřkanálový analogový vstupní modul pro všeobecné použití. Jednotlivé kanály poskytují rozsah měření ±10 V s 24bitovým rozlišením a na výstupu je 50 tisíc vzorků za sekundu (kS/s) dat při maximální vzorkovací frekvenci.
• Analogové výstupní moduly jsou k dispozici se 2, 4 a 16 kanály a lze je použít ke generování napěťových signálů a ovládání průmyslových proudově řízených aktuátorů.
  • Model NI 9263 je čtyřkanálový analogový výstupní modul s vysledovatelnou kalibrací národního institutu pro standardy a testování („National Institute of Standards and Testing“, NIST), plus přepěťovou ochranou, ochranou proti zkratu, vysokou rychlostí přeběhu a vysokou přesností.
• Digitální vstupní a výstupní moduly lze použít ke generování a čtení digitálních signálů. Digitální vstupní moduly jsou k dispozici se 4, 6, 8, 16 a 32 kanály, výstupní a obousměrné moduly jsou nabízeny s 8, 16 a 32 kanály.
  • Model NI 9423 je osmikanálový digitální vstupní modul kompatibilní s 24voltovými signály a navržený pro práci s průmyslovými logickými úrovněmi a signály pro přímé připojení k řadě průmyslových spínačů, měničů, senzorů a dalších zařízení.
  • Model NI 9472 je osmikanálový digitální výstupní modul kompatibilní se signály 6 až 30 V a lze jej přímo připojit k řadě průmyslových zařízení, jako jsou aktuátory, relé a motory.

Softwarová integrace

Posledním krokem při sestavování kompaktního systému DAQ je software. Aplikační programovací rozhraní (API) NI-DAQmx přímo spolupracuje s řadou možností vývoje včetně platforem LabVIEW, C, C# a Python. Rozhraní API podporuje bezproblémový provoz napříč všemi zařízeními DAQ společnosti NI a minimalizuje úsilí o opětovný vývoj vyplývající z upgradů nebo změn hardwaru a zahrnuje přístup k dokumentaci, souborům nápovědy a četným příkladům softwaru připraveným ke spuštění pro rychlý start vývoje aplikací.

Vývojáři mohou nastavit úroveň programování potřebnou pro jednotlivé projekty (obrázek 8). Software pro protokolování dat FlexLogger poskytuje intuitivní vývojové prostředí konfigurace zaměřené na senzory, které lze integrovat s platformou LabVIEW společnosti NI pro vlastní analýzu. Použití LabVIEW podporuje možnost konfigurace hardwaru pomocí interaktivních analytických panelů nebo plnohodnotného programovacího prostředí. Pokročilí vývojáři mohou používat většinu programovacích jazyků k přímému propojení s API DAQmx pro přizpůsobení a výkon.

Obrázek 8: Schéma výběru softwaru DAQ ukazuje, jak mohou vývojáři nastavit úroveň programování, kterou by chtěli pro jednotlivé projekty provádět. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Závěr

Návrh DAQ může být složitý úkol, pokud začínáte od nuly. Senzory, kondicionování signálu, zpracování, I/O a software musí splnit daný úkol a zároveň umožnit úpravy a upgrady v průběhu času. Namísto spojování prvků dohromady mohou vývojáři použít modulární přístup k rychlému a efektivnímu navrhování kompaktního systému DAQ, který zahrnuje senzory, hardware a software, přičemž všechny lze v průběhu času vyměňovat s tím, jak se mění požadavky aplikace.

Kromě toho přístup uvedený v tomto článku podporuje různé komunikační sběrnice, včetně PCI a PCIe, vysokorychlostní USB, PXI a PXIe a Ethernet 2.0 ke splnění specifických požadavků systémů. Přístup využívá moduly s podporou hot swappingu k zajištění kondicionování signálu specifického pro měření k filtrování šumu a izolaci dat, s analogově-digitálním převodem plus s výběrem stylů vstupních konektorů. Je také flexibilní a lze jej integrovat s různým měřicím softwarem včetně platforem LabVIEW, C, C# a Python.

Doporučeno k přečtení

1. Jak navrhnout univerzální vícekanálový systém sběru dat