Jak zbudować kompaktowy system akwizycji danych

Akwizycja danych (DAQ) jest kluczową funkcją w różnych działaniach badawczych i inżynieryjnych, począwszy od walidacji i weryfikacji projektu po przyspieszone testy żywotności i produkcyjne. Podczas gdy kluczowe elementy systemu DAQ są proste: czujniki, sprzęt pomiarowy i oprogramowanie, od tego momentu sprawy mogą się komplikować.

System może być wykorzystywany do pomiaru szerokiej gamy zjawisk fizycznych, dlatego musi być elastyczny i skalowalny, a także wytrzymały i niezawodny. Zawsze należy również brać pod uwagę koszt. W rezultacie specyfikacja i budowa systemu DAQ jest skomplikowana. Jeśli zdefiniowane specyfikacje systemu będą zbyt wysokie, jego użytkowanie będzie kosztowne i potencjalnie kłopotliwe. Specyfikacje na zbyt niskim poziomie sprawią, że system będzie nieodpowiedni do bieżących lub przyszłych zadań. Aby rozwiązać ten dylemat, projektanci mogą zastosować podejście modułowe, które zaczyna się od wytrzymałej obudowy o wysokich parametrach z wieloma gniazdami dającymi możliwość rozbudowy o dodatkową moc obliczeniową, funkcje i opcje łączności, które mogą być wymagane w przyszłości.

W niniejszym artykule omówiono wskaźniki parametrów działania systemów DAQ, które użytkownicy powinni znać. Będą to m.in. digitalizacja sygnałów analogowych, twierdzenie Nyquista o próbkowaniu i aliasing, zakresy wejściowe, częstotliwości próbkowania i próbkowanie multipleksowane lub jednoczesne. Następnie przedstawiono podejście modułowe oparte na opracowanej przez firmę National Instruments obudowie CompactDAQ, modułach we/wy analogowych i cyfrowych oraz komponentach oprogramowania, w tym wybranym środowisku programistycznym, sterownikach i narzędziach do analizy/raportowania.

Wymagania stawiane systemom DAQ i wskaźniki wydajności

Jak wspomniano, system akwizycji danych (DAQ) na podstawowym poziomie obejmuje czujniki, kondycjonowanie sygnału, przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), procesory i oprogramowanie powiązane (ilustracja 1). Zadaniem projektantów jest dopasowanie komponentów systemu do tego, co jest mierzone i analizowane, przy jednoczesnym ograniczeniu kosztów i czasu konfiguracji.

Ilustracja 1: systemy akwizycji danych (DAQ) składają się z czujników, urządzeń pomiarowych DAQ zapewniających kondycjonowanie sygnału i konwersję danych oraz zasobów obliczeniowych obejmujących sterowniki i oprogramowanie użytkowe. (Źródło ilustracji: NI)

Aby dopasować elementy ważne jest, aby zrozumieć, że podstawowymi parametrami systemu DAQ są: precyzja, amplituda sygnału i jego częstotliwość. Przekładają się one odpowiednio na rozdzielczość, zakres i szybkość pomiaru. W wielu zastosowaniach najważniejszą kwestią jest rozdzielczość. Rozdzielczość określa liczbę dostępnych wartości pomiarowych. Na przykład urządzenie o rozdzielczości 3-bitowej może mierzyć 8 możliwych wartości (2³), podczas gdy urządzenie o rozdzielczości 6-bitowej może mierzyć 64 (2⁶) możliwe wartości (ilustracja 2). Wyższa rozdzielczość przekłada się na pomiary, które dokładniej odzwierciedlają sygnał.

Ilustracja 2: precyzja w urządzeniu akwizycji danych (DAQ) przekłada się na rozdzielczość. Urządzenie DAQ o rozdzielczości 6 bitów dostarcza 8 razy więcej informacji (jest 8 razy dokładniejsze) niż urządzenie o rozdzielczości 3 bitów. (Źródło ilustracji: NI)

Dany przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) zostanie ustawiony na pomiar w zadanym zakresie wejściowym, takim jak ±10V, a rozdzielczość urządzenia akwizycji danych (DAQ) dotyczy całego zakresu. Jeśli pomiar jest wykonywany w mniejszym zakresie, na przykład ±2V, wynikiem jest pomiar z ułamkiem (w tym przypadku około 20%) określonej rozdzielczości urządzenia DAQ (ilustracja 3). Problem ten może rozwiązać użycie urządzenia DAQ z wybieralnymi zakresami wejściowymi. Typowe zakresy wejściowe obejmują wartości ±10V, ±5V, ±1V i ±0,2V. Skalowanie zakresu wejściowego w celu dopasowania do zakresu sygnału skutkuje wyższą jakością pomiaru.

Ilustracja 3: użycie urządzenia akwizycji danych (DAQ) z 3-bitową rozdzielczością i zakresem ±10V (czerwone linie po lewej stronie i żółte kropkowane linie odpowiednio na górze i na dole zakresu) do pomiaru sygnału ±2V (biała fala sinusoidalna) powoduje znaczną utratę dokładności. (Źródło ilustracji: NI)

Częstotliwość próbkowania, twierdzenie Nyquista i nadpróbkowanie

Częstotliwość próbkowania to szybkość, z jaką przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) przekształca wejściowy sygnał analogowy na dane cyfrowe. Częstotliwość próbkowania i rozdzielczość mogą być odwrotnie proporcjonalne. Wyższe częstotliwości próbkowania są często możliwe tylko dzięki zmniejszeniu bitów rozdzielczości, ponieważ wyższa częstotliwość zapewnia mniej czasu na digitalizację sygnału przez przetwornik analogowo-cyfrowy. W rezultacie optymalizacja częstotliwości próbkowania jest istotna.

Pomocne jest tutaj twierdzenie o próbkowaniu Nyquista: mówi ono, że częstotliwość próbkowania f_s, która przekracza dwukrotnie maksymalną częstotliwość sygnału, umożliwia dokładny pomiar częstotliwości pierwotnego sygnału. Jest ona nazywana częstotliwością Nyquista, f_n. Aby dokładnie zmierzyć kształt i częstotliwość oryginalnego sygnału, twierdzenie Nyquista wymaga, aby wartość f_s była od 5 do 10 razy większa od maksymalnej częstotliwości sygnału. Korzystanie z częstotliwości próbkowania wyższej niż f_n nazywa się nadpróbkowaniem.

Oprócz f_n konieczne jest też zrozumienie zjawiska aliasingu i ghostingu, z którymi należy sobie poradzić podczas optymalizacji f_s. Aliasing to zjawisko, które powoduje zniekształcenie widma próbkowanego sygnału ze względu na zbyt niską częstotliwość próbkowania, nie pozwalającą dokładnie przechwycić treści o wysokiej częstotliwości. Nadpróbkowanie może wyeliminować aliasing. Nadpróbkowanie jest również przydatne do przechwytywania szybkich zboczy sygnału, zdarzeń jednorazowych i stanów nieustalonych. Jeśli jednak wartość f_s jest zbyt wysoka, podczas próbkowania multipleksowanego może wystąpić zjawisko zwane ghostingiem.

Przy wysokich multipleksowanych częstotliwościach próbkowania, czas ustalania każdego kanału wejściowego zaczyna mieć znaczenie. Ghosting występuje wtedy, gdy częstotliwość próbkowania przekracza czas ustalania się urządzenia akwizycji danych (DAQ). W takiej sytuacji sygnały w sąsiednich kanałach zakłócają się wzajemnie, co prowadzi do efektu ghostingu i niedokładnych pomiarów (ilustracja 4).

Ilustracja 4: po lewej częstotliwość próbkowania jest wystarczająco niska, aby umożliwić prawidłowe ustawienie pomiędzy pomiarami na kanałach 0 (czerwony) i 1 (niebieski). Po prawej stronie pojawia się efekt ghostingu, ponieważ częstotliwość próbkowania jest zbyt wysoka, a kanał 0 wpływa na pomiar w kanale 1. (Źródło ilustracji: NI)

Na efektywną częstotliwość próbkowania urządzenia DAQ ma wpływ dobór architektury - symultanicznej lub multipleksowej. Próbkowanie symultaniczne wykorzystuje jeden przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) na kanał wejściowy i zapewnia pełną częstotliwość próbkowania na wszystkich kanałach, niezależnie od ich liczby (ilustracja 5).

Symultaniczne próbkowanie umożliwia jednoczesne pobranie wielu próbek. Architektura symultaniczna jest stosunkowo droga i obejmuje większą liczbę komponentów, które mogą ograniczać liczbę kanałów dostępnych w pojedynczym urządzeniu akwizycji danych (DAQ). W architekturze multipleksowej multiplekser jest używany do współużytkowania jednego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) między wszystkimi kanałami, co zmniejsza maksymalną prędkość dostępną dla poszczególnych kanałów. Próbki są pobierane w seriach z opóźnieniami między kanałami. Architektury multipleksowane kosztują mniej i pozwalają uzyskać urządzenia akwizycji danych(DAQ) o większej gęstości kanałów.

Ilustracja 5: próbkowanie symultaniczne zapewnia pełną szybkość transmisji danych na wszystkich kanałach, podczas gdy w przypadku próbkowania multipleksowanego pełna częstotliwość próbkowania jest współdzielona przez wszystkie kanały, co skutkuje niższą szybkością na kanał. (Źródło ilustracji: NI)

Budowa kompaktowego systemu DAC

Pierwszym krokiem w budowie systemu akwizycji danych (DAC) jest wybór obudowy CompactDAQ. Obudowy są dostępne z różnymi magistralami komunikacyjnymi, w tym PCI i PCI Express (PCIe), High-Speed USB, PXI i PXI Express (PXIe) oraz Ethernet 2.0, a także mogą mieć od jednego do 14 gniazd dla modułów wejścia-wyjścia serii C firmy NI. Na przykład obudowa 781156-01 ma osiem gniazd i interfejs USB 2.0 (ilustracja 6). System można rozbudować o dodatkowe typy i kanały pomiarowe, po prostu podłączając moduły. Wszystkie moduły są automatycznie wykrywane i synchronizowane z zegarem na płycie montażowej obudowy.

Ilustracja 6: obudowa 781156-01 CompactDAQ posiada osiem gniazd i interfejs USB 2.0 High-Speed. (Źródło ilustracji: NI)

Magistrala komunikacyjna jest ważną częścią specyfikacji obudowy (tabela 1). Szybkość 60Mbit/s zapewniana przez złącze USB jest odpowiednia dla większości zastosowań. Oprócz tego złącze USB cechuje dobra elastyczność i przenośność. Protokół Ethernet daje możliwość stosowania dłuższych kabli i rozproszonych systemów DAQ w fizycznie dużych instalacjach. Magistrale PCI i PCIe umożliwiają podłączanie urządzeń do komputera stacjonarnego w celu rejestrowania i analizy danych. Magistrale PXI i PXIe są podobne do PCI i PCIe, ale oferują doskonałe możliwości synchronizacji, umożliwiając konsolidację i porównywanie dużych ilości danych.

Tabela 1: wybór magistrali komunikacyjnej DAQ jest ważną częścią wyboru obudowy. Magistrala powinna być dopasowana do potrzebnych szybkości transmisji danych, odległości i wymagań w zakresie przenoszenia. (Źródło ilustracji: NI)

Po wybraniu obudowy projektanci mogą wybierać spośród ponad 60 modułów serii C do zastosowań pomiarowych, sterujących i komunikacyjnych. Dostępne moduły z serii C można podłączyć do praktycznie dowolnego czujnika lub magistrali i pozwalają na bardzo dokładne pomiary, które spełniają wymagania zastosowań systemów DAQ i sterowania (ilustracja 7). Wspomniane moduły mogą być wymieniane podczas pracy i zapewniają specyficzne dla pomiaru kondycjonowanie sygnału na potrzeby filtrowania szumów oraz izolowania danych, konwersję sygnałów analogowych na cyfrowe oraz są dostępne z różnymi typami złączy wejściowych.

Ilustracja 7: moduły serii C mają jednakowy format, mogą być podłączane podczas pracy do dowolnej obudowy CompactDAQ i są dostępne z różnymi złączami wejściowymi, aby spełnić potrzeby różnych zastosowań. (Źródło ilustracji: NI)

Moduły serii C mogą być używane do wielu funkcji akwizycji danych (DAQ) i sterowania, m.in.:

• Moduły wejść analogowych posiadają maksymalnie 16 kanałów do łączności z czujnikami napięcia, prądu i typowymi czujnikami do pomiaru temperatury, dźwięku, odkształcenia, ciśnienia, obciążenia, drgań i nie tylko.
  • Moduł NI 9239 to czterokanałowy moduł wejść analogowych ogólnego przeznaczenia. Każdy kanał zapewnia zakres pomiarowy ±10V z 24-bitową rozdzielczością i wysyła 50kS/s danych z maksymalną częstotliwością próbkowania.
• Moduły wyjść analogowych są dostępne z 2, 4 i 16 kanałami i mogą być używane do generowania sygnałów napięciowych i sterowania przemysłowych aktuatorów prądowych
  • Moduł NI 9263 to czterokanałowy moduł wyjść analogowych z identyfikowalną kalibracją amerykańskiego Narodowego Instytutu Norm i Technologii (National Institute of Standards and Technology, NIST), a także ochroną przeciwprzepięciową, przeciwzwarciową, dużą szybkością narastania i wysoką dokładnością.
• Moduły wejść i wyjść cyfrowych mogą służyć do generowania i odczytu sygnałów cyfrowych. Moduły wejść cyfrowych są dostępne z 4, 6, 8, 16 i 32 kanałami, moduły wyjść i dwukierunkowe są oferowane z 8, 16 i 32 kanałami.
  • Moduł 9423 firmy NI jest ośmiokanałowym modułem wejść cyfrowych kompatybilnym z sygnałami 24V i został zaprojektowany z myślą o współpracy z przemysłowymi poziomami logicznymi i sygnałami z przeznaczeniem do bezpośredniego połączenia z szeregiem przemysłowych przełączników, przetworników, czujników i innych urządzeń.
  • Moduł 9472 firmy NI jest ośmiokanałowym modułem wyjść cyfrowych obsługującym sygnały o napięciu od 6 do 30V, który można podłączyć bezpośrednio do różnych urządzeń przemysłowych, takich jak aktuatory, przekaźniki i silniki.

Integracja oprogramowania

Ostatnim etapem w budowie kompaktowego systemu DAQ jest oprogramowanie. Interfejs programowania aplikacji NI-DAQmx można obsługiwać w różnych językach programistycznych, w tym LabVIEW, C, C# i Python. Interfejs programowania aplikacji gwarantuje bezproblemową pracę na wszystkich urządzeniach DAQ firmy NI i minimalizuje nakłady związane z modernizacją lub wymianą sprzętu, a także daje dostęp do dokumentacji, plików pomocy i licznych przykładów gotowego do uruchomienia oprogramowania, aby przyspieszyć tworzenie aplikacji.

Deweloperzy mogą wybrać poziom programowania potrzebny w poszczególnych projektach (ilustracja 8). Oprogramowanie do rejestrowania danych FlexLogger stanowi intuicyjne środowisko rozwojowe konfiguracji skupione na czujnikach, które można zintegrować z oprogramowaniem LabVIEW firmy NI w celu przeprowadzenia niestandardowej analizy. Wykorzystanie oprogramowania LabVIEW daje możliwość konfiguracji sprzętu za pomocą interaktywnych paneli analitycznych lub w pełni funkcjonalnego środowiska programistycznego. W celu wykonania niestandardowych konfiguracji i poprawy parametrów działania doświadczeni deweloperzy mogą używać większości języków programowania do bezpośredniego łączenia się z interfejsem programowania aplikacji DAQmx.

Ilustracja 8: schemat blokowy wyboru oprogramowania DAQ pokazuje, w jaki sposób deweloperzy mogą wybrać poziom programowania, jaki chcieliby zastosować dla poszczególnych projektów. (Źródło ilustracji: NI)

Podsumowanie

Projektowanie systemu akwizycji danych (DAQ) może być złożonym zadaniem, jeśli zaczyna się od zera. Czujniki, kondycjonowanie sygnału, przetwarzanie, wejścia-wyjścia i oprogramowanie muszą sprostać postawionemu zadaniu, pozwalając jednocześnie na modyfikacje i aktualizacje w miarę upływu czasu. Zamiast łączyć ze sobą poszczególne komponenty, deweloperzy mogą zastosować podejście modułowe, aby szybko i wydajnie zaprojektować kompaktowy system akwizycji danych (DAQ) zawierający czujniki, sprzęt i oprogramowanie, które z czasem można wymieniać, jeśli wymagania ulegną zmianie.

Ponadto stosując podejście przedstawione w tym artykule, do spełnienia określonych wymagań systemu wykorzystuje się różne magistrale komunikacyjne, w tym PCI i PCIe, High-Speed USB, PXI i PXIe oraz Ethernet 2.0. Stosowane są moduły z możliwością wymiany podczas pracy, aby zapewnić kondycjonowanie sygnału specyficzne dla pomiaru (w celu filtrowania szumów i izolowania danych) oraz konwersję sygnałów analogowych na cyfrowe, a także różne typy złączy wejściowych. Przedstawione rozwiązanie jest również elastyczne i może być wykorzystywane w połączeniu z różnymi językami programowania, w tym LabVIEW, C, C# i Python.

Rekomendowane artykuły

1. Jak zaprojektować uniwersalny wielokanałowy system akwizycji danych