Cum se construiește un sistem compact de achiziție de date

Achiziția de date (DAQ) este o funcție cheie într-o varietate de activități de cercetare și inginerie, de la validarea și verificarea proiectării până la testarea accelerată a duratei de viață și a producției, printre altele. În timp ce elementele cheie ale unui sistem DAQ sunt simple: senzori, hardware de măsurare și software; de aici încolo, lucrurile pot deveni mai complicate.

Sistemul poate fi necesar pentru a măsura o mare varietate de fenomene fizice, astfel că trebuie să fie flexibil și scalabil, fiind în același timp robust și fiabil, costul fiind întotdeauna un factor important. Prin urmare, specificarea și construirea unui sistem DAQ este complexă. În cazul în care sistemul are specificații peste nivelul necesar, va fi costisitor și potențial dificil de utilizat. Dacă are specificații sub nivelul necesar, acesta va fi nepotrivit pentru sarcinile actuale sau viitoare. Pentru a rezolva această dilemă, proiectanții pot adopta o abordare modulară care începe cu un șasiu robust, de înaltă performanță, cu mai multe fante pentru performanțe de procesare, caracteristici și opțiuni de conectivitate suplimentare care pot fi necesare în timp.

Acest articol trece în revistă parametrii de performanță ai sistemelor DAQ pe care trebuie să îi cunoască cei care stabilesc specificațiile, inclusiv digitizarea semnalelor analogice, teorema de eșantionare Nyquist și aliasingul, intervalele de intrare, ratele de eșantionare și eșantionarea multiplexată versus eșantionarea simultană. Apoi, prezintă o abordare modulară bazată pe un șasiu CompactDAQ de la National Instruments, module I/O analogice și digitale și componente software, inclusiv opțiuni pentru mediul de dezvoltare, drivere și instrumente de analiză/raportare.

Cerințe DAQ și parametri de performanță

După cum s-a menționat, la un nivel de bază, un DAQ include senzori, condiționarea semnalelor, convertoare analogice-digitale (ADC), procesoare și software-ul asociat (Figura 1). Proiectanții au sarcina de a potrivi elementele sistemului cu ceea ce se măsoară și se analizează, menținând în același timp controlul asupra costurilor și timpului de instalare.

Figura 1: sistemele DAQ sunt alcătuite din senzori, dispozitive de măsurare DAQ care asigură condiționarea semnalelor și conversia datelor și resurse de calcul care includ drivere și software de aplicație. (Sursa imaginii: NI)

Pentru a potrivi elementele, este important să înțelegeți că precizia, amplitudinea semnalului și frecvența semnalului sunt parametrii fundamentali ai unui sistem DAQ. Acestea se traduc în rezoluție, interval și, respectiv, viteză de măsurare. În multe aplicații, rezoluția este cel mai important aspect. Rezoluția definește numărul de valori de măsurare disponibile. De exemplu, un dispozitiv cu o rezoluție de 3 biți poate măsura 8 valori posibile (2³), în timp ce un dispozitiv cu o rezoluție de 6 biți poate măsura 64 (2⁶) de valori posibile (Figura 2). O rezoluție mai mare se traduce prin măsurători care reflectă mai exact semnalul.

Figura 2: precizia unui dispozitiv DAQ se traduce în rezoluție; un dispozitiv DAQ cu o rezoluție de 6 biți oferă o cantitate de informații de 8 ori mai mare (de 8 ori mai precisă) decât un dispozitiv cu o rezoluție de 3 biți. (Sursa imaginii: NI)

Un anumit ADC va fi setat pentru măsurători într-un interval de intrare stabilit, cum ar fi ±10 volți, iar rezoluția dispozitivului DAQ se aplică la intervalul total. Dacă se efectuează o măsurătoare pe o gamă mai mică, de exemplu ±2 volți, rezultatul este o măsurătoare cu o fracțiune (în acest caz, aproximativ 20%) din rezoluția specificată a dispozitivului DAQ (Figura 3). Utilizarea unui dispozitiv DAQ cu intervale de intrare selectabile poate rezolva această problemă. Intervalele comune de intrare includ ±10 volți, ±5 volți, ±1 volt și ±0,2 volți. Scalarea intervalului de intrare pentru a se adapta la rezultatele intervalului de semnal rezultă într-o măsurare de calitate superioară.

Figura 3: utilizarea unui dispozitiv DAQ cu o rezoluție de 3 biți și un interval de ±10 volți (linii roșii în stânga și linii galbene întrerupte în partea de sus și, respectiv, de jos a intervalului) pentru a măsura un semnal de ±2 volți (undă sinusoidală albă) duce la o pierdere semnificativă a preciziei. (Sursa imaginii: NI)

Rata de eșantionare, Nyquist și supraeșantionare

Rata de eșantionare este rata la care ADC-ul convertește intrarea analogică în date digitale. Rata de eșantionare și rezoluția pot fi corelate invers. Ratele de eșantionare mai mari sunt deseori posibile numai prin reducerea numărului de biți de rezoluție, deoarece o rată mai mare lasă mai puțin timp pentru ca ADC să digitizeze semnalul. Prin urmare, optimizarea ratei de eșantionare este importantă.

Teorema de eșantionare Nyquist este utilă în acest caz: aceasta afirmă că o rată de eșantionare, f_s, care depășește de două ori frecvența maximă a semnalului, va rezulta într-o măsurare precisă a frecvenței semnalului original. Aceasta se numește frecvența Nyquist, f_N. Pentru a măsura cu exactitate forma și frecvența semnalului original, teorema Nyquist prevede că f_s trebuie să fie de 5 – 10 ori mai mare decât frecvența maximă a semnalului. Utilizarea unei rate de eșantionare mai mari decât f_N se numește supraeșantionare.

Pe lângă înțelegerea f_N, aliasingul și ghosting-ul sunt provocări care trebuie abordate atunci când se optimizează f_s. Aliasingul este un efect care provoacă distorsiuni în spectrul unui semnal eșantionat, din cauza ratei de eșantionare care este prea mică pentru a capta cu acuratețe conținutul de înaltă frecvență. Supraeșantionarea poate elimina aliasingul. De asemenea, supraeșantionarea este utilă pentru a capta marginile rapide ale semnalului, evenimentele unice și tranzitorii. Cu toate acestea, dacă f_s este prea mare, în timpul eșantionării multiplexate poate apărea un fenomen numit ghosting.

La rate de eșantionare multiplexate ridicate, timpul de stabilizare al fiecărui canal de intrare devine un factor. Ghosting-ul apare atunci când rata de eșantionare depășește timpul de stabilizare al dispozitivului DAQ. În acel moment, semnalele de pe canalele adiacente interferează, ceea ce duce la apariția fenomenului de ghosting și la măsurători inexacte (Figura 4).

Figura 4: în stânga, rata de eșantionare este suficient de mică pentru a permite o stabilizare adecvată între măsurătorile pe canalele 0 (roșu) și 1 (albastru). În dreapta, ghosting-ul apare deoarece rata de eșantionare este prea mare, iar canalul 0 influențează măsurarea de pe canalul 1. (Sursa imaginii: NI)

Rata efectivă de eșantionare a unui dispozitiv DAQ este influențată de alegerea unei arhitecturi simultane sau multiplexate. Eșantionarea simultană utilizează un ADC pentru fiecare canal de intrare și asigură rata de eșantionare completă pe toate canalele, independent de numărul de canale (Figura 5).

Eșantionarea simultană permite captarea simultană a mai multor eșantioane. O arhitectură simultană este relativ costisitoare și implică mai multe componente, ceea ce poate limita numărul de canale disponibile într-un singur dispozitiv DAQ. Într-o arhitectură multiplexată, un multiplexor (mux) este utilizat pentru a împărți un singur ADC între toate canalele, reducând rata maximă disponibilă pentru fiecare canal. Eșantioanele sunt captate în serie, cu întârzieri între canale. Arhitecturile multiplexate costă mai puțin și pot avea ca rezultat un dispozitiv DAQ cu o densitate mai mare de canale.

Figura 5: eșantionarea simultană asigură rata completă de date pe toate canalele, în timp ce, în cazul eșantionării multiplexate, rata completă de eșantionare este împărțită între toate canalele, ceea ce duce la o rată mai mică pe fiecare canal. (Sursa imaginii: NI)

Construirea unui sistem DAC compact

Primul pas în construirea unui sistem DAC este selectarea șasiului CompactDAQ. Șasiurile sunt disponibile cu diverse magistrale de comunicații, inclusiv PCI și PCI Express (PCIe), USB de mare viteză, PXI și PXI Express (PXIe) și Ethernet 2.0, precum și de la unu la 14 fante pentru modulele de I/O din seria C de la NI. De exemplu, 781156-01 are opt fante și o interfață USB 2.0 (Figura 6). La sistem pot fi adăugate tipuri de măsurători și canale suplimentare prin simpla conectare a modulelor. Toate modulele sunt detectate și sincronizate automat cu ceasul din placa posterioară a șasiului.

Figura 6: șasiul CompactDAQ 781156-01 are opt fante și o interfață USB 2.0 de mare viteză. (Sursa imaginii: NI)

Magistrala de comunicații este o parte importantă a specificațiilor șasiului (Tabelul 1). Viteza de 60 de megabiți pe secundă (Mbit/s) asigurată de USB este adecvată pentru majoritatea aplicațiilor, iar USB are o bună flexibilitate și portabilitate. Ethernet poate accepta distanțe de cablu mai mari și sisteme DAQ distribuite în aplicații cu dimensiuni fizice mari. Magistralele PCI și PCIe permit conectarea dispozitivelor la un computer desktop pentru înregistrarea și analiza datelor. Magistralele PXI și PXIe sunt similare cu PCI și PCIe, dar oferă capacități de sincronizare superioare, permițând consolidarea și compararea unor cantități mari de date.

Tabelul 1: selectarea magistralei de comunicații DAQ este o parte importantă a selecției șasiului. Magistrala ar trebui să fie adaptată la ratele de transmisie a datelor, la distanțele necesare și la nevoia de portabilitate. (Sursa imaginii: NI)

Odată ce a fost selectat șasiul, proiectanții pot alege din peste 60 de module din seria C pentru aplicații de măsurare, control și comunicare. Sunt disponibile module din seria C care se pot conecta la aproape orice senzor sau magistrală și permit măsurători de înaltă precizie care îndeplinesc cerințele aplicațiilor DAQ și de control (Figura 7). Aceste module care pot fi schimbate la cald oferă condiționarea semnalului specific de măsurare pentru filtrarea zgomotului și izolarea datelor, conversie analogică-digitală, plus o varietate de conectori de intrare.

Figura 7: modulele din seria C au un factor de formă comun, pot fi conectate la cald în orice șasiu CompactDAQ și sunt disponibile cu o varietate de conectori de intrare care îndeplinesc cerințele diverselor aplicații. (Sursa imaginii: NI)

Modulele din seria C pot fi utilizate pentru multe funcții de control și de achiziție de date, inclusiv:

• Modulele de intrare analogică au până la 16 canale pentru conectivitate cu senzori de tensiune, curent și senzori comuni pentru măsurarea temperaturii, sunetului, solicitării, presiunii, sarcinii, vibrațiilor și multe altele.
  • NI 9239 este un modul de intrare analogică de uz general cu patru canale. Fiecare canal oferă o gamă de măsurare de ±10 volți cu o rezoluție de 24 de biți și emite 50 de kiloeșantioane pe secundă (kS/s) de date la rata maximă de eșantionare.
• Modulele de ieșire analogică sunt disponibile cu 2, 4 și 16 canale și pot fi utilizate pentru generarea de semnale de tensiune și pentru controlul mecanismelor de acționare industriale acționate de curent.
  • NI 9263 este un modul de ieșire analogică cu patru canale care dispune de calibrare trasabilă de către Institutul național de standarde și testare (NIST), plus protecție la supratensiune, protecție la scurtcircuit, viteză de salt rapidă și precizie ridicată.
• Modulele de intrare și ieșire digitală pot fi utilizate pentru generarea și citirea semnalelor digitale. Modulele de intrare digitală sunt disponibile cu 4, 6, 8, 16 și 32 de canale, iar modulele de ieșire și bidirecționale sunt oferite cu 8, 16 și 32 de canale.
  • NI 9423 este un modul de intrare digitală cu opt canale compatibil cu semnale de 24 de volți și este proiectat să funcționeze cu niveluri și semnale logice industriale pentru conectarea directă la o serie de comutatoare, traductoare, senzori și alte dispozitive industriale.
  • NI 9472 este un modul de ieșire digitală cu opt canale compatibil cu semnale de la 6 până la 30 de volți și se poate conecta direct la o varietate de dispozitive industriale, cum ar fi mecanisme de acționare, relee și motoare.

Integrare software

Ultimul pas în construirea unui sistem DAQ compact este software-ul. Interfața de programare a aplicațiilor (API) NI-DAQmx funcționează direct cu o varietate de opțiuni de dezvoltare, inclusiv LabVIEW, C, C# și Python. API-ul acceptă funcționarea fără întreruperi pe toate dispozitivele NI DAQ și reduce la minimum eforturile de re-dezvoltare rezultate în urma upgrade-urilor sau modificărilor hardware și include acces la documentație, fișiere de ajutor și numeroase exemple de software gata de execuție pentru a începe rapid dezvoltarea aplicațiilor.

Dezvoltatorii pot selecta nivelul de programare necesar pentru fiecare proiect (Figura 8). Software-ul de înregistrare a datelor FlexLogger oferă un mediu intuitiv de dezvoltare a configurației axat pe senzori, care se poate integra cu LabVIEW de la NI pentru analize personalizate. Utilizarea LabVIEW permite configurarea hardware-ului cu ajutorul unor panouri de analiză interactive sau a unui mediu de programare complet. Dezvoltatorii avansați pot utiliza majoritatea limbajelor de programare pentru a se conecta direct la API-ul DAQmx pentru personalizare și performanță.

Figura 8: o schemă de flux pentru selectarea software-ului DAQ arată cum dezvoltatorii pot selecta nivelul de programare pe care îl doresc pentru fiecare proiect. (Sursa imaginii: NI)

Concluzie

Proiectarea unui DAQ poate fi o sarcină complexă dacă se pornește de la zero. Senzorii, condiționarea semnalelor, procesarea, intrarea/ieșirea și software-ul trebuie să îndeplinească sarcinile existente, permițând în același timp modificări și upgrade-uri în timp. În loc să îmbine elementele, dezvoltatorii pot adopta o abordare modulară pentru a proiecta rapid și eficient un sistem DAQ compact care include senzori, hardware și software, toate acestea putând fi schimbate în timp, pe măsură ce cerințele aplicației se schimbă.

În plus, abordarea prezentată în acest articol acceptă diferite magistrale de comunicații, inclusiv PCI și PCIe, USB de mare viteză, PXI și PXIe și Ethernet 2.0 pentru a îndeplini cerințele specifice ale sistemului. Acesta utilizează module care pot fi schimbate la cald pentru a asigura condiționarea semnalului specific de măsurare pentru filtrarea zgomotului și izolarea datelor, precum și conversia analogică-digitală, plus o varietate de stiluri de conectori de intrare. De asemenea, este flexibil și poate fi integrat cu diverse software-uri de măsurare, inclusiv LabVIEW, C, C# și Python.

Lectură recomandată

1. Cum se proiectează sistemul de achiziție de date de uz general cu canale multiple