Hvordan man opbygger et kompakt dataindsamlingssystem

Dataindsamling (DAQ) er en nøglefunktion i en række forsknings- og ingeniøraktiviteter, der spænder fra designvalidering og verifikation til bl.a. accelereret levetid og produktionstest. Mens de vigtigste elementer i et DAQ-system er enkle: Sensorer, målehardware og software, kan tingene blive mere komplicerede derfra.

Systemet skal måske måle en lang række forskellige fysiske fænomener, så det skal være fleksibelt og skalerbart, samtidig med at det skal være robust og pålideligt, og prisen er altid en faktor. Derfor er det komplekst at specificere og opbygge et DAQ-system. Hvis systemet er overspecificeret, vil det være dyrt og potentielt besværligt at anvende. Hvis den ikke er tilstrækkeligt specificeret, vil den ikke være egnet til nuværende eller fremtidige opgaver. For at løse dilemmaet kan designerne vælge en modulær tilgang, der starter med et robust, højtydende chassis med flere slots til yderligere behandlingsydelse, funktioner og tilslutningsmuligheder, som kan blive nødvendige med tiden.

I denne artikel gennemgås de ydelsesmålinger for DAQ-systemer, som specificatorer skal være opmærksomme på, herunder digitalisering af analoge signaler, Nyquist-samplingteoremet og aliasing, inputområder, samplingfrekvenser og multiplexet kontra simultan sampling. Derefter præsenteres en modulær tilgang baseret på et CompactDAQ-chassis fra National Instruments, analoge og digitale I/O-moduler og softwarekomponenter, herunder valg af udviklingsmiljø, drivere og analyse-/rapporteringsværktøjer.

DAQ-krav og præstationsmålinger

Som nævnt består en DAQ på et grundlæggende niveau af sensorer, signalbehandling, analog-til-digital-konvertere (ADC'er), processorer og tilhørende software (figur 1). Opgaven for designerne er at matche systemelementerne med det, der skal måles og analyseres, samtidig med at de holder styr på omkostninger og opsætningstid.

Figur 1: DAQ-systemer består af sensorer, DAQ-måleenheder, der leverer signalbehandling og datakonvertering, og computerressourcer, der omfatter drivere og applikationssoftware. (Billedkilde: NI)

For at kunne matche elementerne er det vigtigt at forstå, at præcision, signalamplitude og signalfrekvens er de grundlæggende parametre i et DAQ-system. De svarer til henholdsvis måleopløsning, rækkevidde og hastighed. I mange applikationer er opløsning det vigtigste. Opløsning definerer antallet af tilgængelige måleværdier. F.eks. kan en enhed med 3-bit opløsning måle 8 mulige værdier (2³), mens en enhed med 6-bit opløsning kan måle 64 (2⁶) mulige værdier (figur 2). Højere opløsning giver målinger, der mere præcist afspejler signalet.

Figur 2: Præcisionen i en DAQ-enhed er lig med opløsning; en DAQ-enhed med 6-bit opløsning giver 8 gange så mange oplysninger (8 gange så præcise) som en enhed med 3-bit opløsning. (Billedkilde: NI)

En given ADC vil være indstillet til at måle i et bestemt indgangsområde, f.eks. ±10 volt, og opløsningen af DAQ-enheden gælder for det samlede område. Hvis der foretages en måling over et mindre område, f.eks. ±2 volt, er resultatet en måling med en brøkdel (i dette tilfælde ca. 20 %) af DAQ-enhedens specificerede opløsning (Figur 3). Dette problem kan løses ved at bruge en DAQ-enhed med valgbare indgangsintervaller. Almindelige indgangsintervaller omfatter ±10 volt, ±5 volt, ±1 volt og ±0,2 volt. Skalering af inputområdet til at passe til signalområdet resulterer i en måling af højere kvalitet.

Figur 3: Brug af en DAQ-enhed med 3-bit opløsning og et område på ±10 volt (røde linjer til venstre og gule stiplede linjer i henholdsvis toppen og bunden af området) til at måle et ±2 volt-signal (hvid sinuskurve) resulterer i et betydeligt tab af nøjagtighed. (Billedkilde: NI)

Samplerate, Nyquist og oversampling

Samplefrekvens er den hastighed, hvormed ADC'en konverterer det analoge input til digitale data. Prøvehastighed og opløsning kan være omvendt korreleret. Højere samplingfrekvenser er ofte kun muligt ved at reducere antallet af opløsningsbits, fordi en højere frekvens giver ADC'en mindre tid til at digitalisere signalet. Derfor er det vigtigt at optimere samplingfrekvensen.

Nyquist Sampling Theorem er nyttig her: Det fastslår, at en samplingfrekvens, f_s, der overstiger det dobbelte af den maksimale signalfrekvens, vil resultere i en nøjagtig måling af frekvensen af det oprindelige signal. Dette kaldes Nyquist-frekvensen, f_N. For at kunne måle formen og frekvensen af det oprindelige signal nøjagtigt kræver Nyquist-teoremet, at f_s skal være 5-10 gange den maksimale signalfrekvens. Anvendelse af en samplingfrekvens, der er højere end f_N, kaldes oversampling.

Ud over at forstå f_N er aliasing og ghosting udfordringer, der skal håndteres ved optimering af f_s. Aliasing er en effekt, der forårsager forvrængning i spektret af et samplet signal, fordi samplingfrekvensen er for lav til at opfange højfrekvensindholdet nøjagtigt. Oversampling kan fjerne aliasing. Oversampling er også nyttig til at opfange hurtige signalkanter, engangsbegivenheder og transienter. Hvis f_s er for høj, kan der imidlertid opstå et fænomen, der kaldes ghosting, under multiplexed sampling.

Ved høje multiplexede samplingfrekvenser bliver indstillingstiden for hver indgangskanal en faktor. Ghosting opstår, når samplefrekvensen overstiger DAQ-enhedens nedtrapningstid. På det tidspunkt forstyrrer signalerne på tilstødende kanaler hinanden, hvilket fører til ghosting og unøjagtige målinger (Figur 4).

Figur 4: Til venstre er prøvefrekvensen lav nok til, at der er mulighed for at foretage en ordentlig nedregulering mellem målingerne på kanal 0 (rød) og 1 (blå). Til højre opstår der ghosting, fordi samplingfrekvensen er for høj, og kanal 0 påvirker målingen på kanal 1. (Billedkilde: NI)

Den effektive samplefrekvens for en DAQ-enhed påvirkes af valget af en simultan eller multiplexet arkitektur. Simultan sampling bruger én ADC pr. indgangskanal og leverer den fulde samplingfrekvens på alle kanaler, uafhængigt af antallet af kanaler (Figur 5).

Simultan prøvetagning gør det muligt at opsamle flere prøver på én gang. En simultan arkitektur er relativt dyr og involverer flere komponenter, hvilket kan begrænse antallet af kanaler, der er tilgængelige i en enkelt DAQ-enhed. I en arkitektur med multiplexing anvendes en multiplexer (mux) til at dele en enkelt ADC mellem alle kanalerne, hvilket reducerer den maksimale hastighed, der er tilgængelig for hver kanal. Prøverne optages i serie med forsinkelser mellem kanalerne. Multiplexede arkitekturer koster mindre og kan resultere i en DAQ-enhed med større kanaltæthed.

Figur 5: Simultan prøvetagning giver fuld datahastighed på alle kanaler, mens den fulde prøvetagningshastighed ved multiplexet prøvetagning deles mellem alle kanaler, hvilket resulterer i en lavere hastighed pr. kanal. (Billedkilde: NI)

Opbygning af et kompakt DAC-system

Det første skridt i opbygningen af et DAC-system er at vælge et CompactDAQ-chassis. Chassiserne er tilgængelig med forskellige kommunikationsbusser, herunder PCI og PCI Express (PCIe), High-Speed USB, PXI og PXI Express (PXIe) og Ethernet 2.0, og fra et til 14 slots til NI's C-serie af I/O-moduler. 781156-01 har f.eks. otte slots og en USB 2.0-interface (Figur 6). Systemet kan udvides med yderligere måleformer og kanaler ved blot at sætte moduler i. Alle moduler registreres automatisk og synkroniseres med uret i chassisets bagplade.

Figur 6: 781156-01 CompactDAQ-chassiset har otte slots og en USB 2.0 High-Speed-interface. (Billedkilde: NI)

Kommunikationsbussen er en vigtig del af chassisets specifikationer (tabel 1). De 60 megabit pr. sekund (Mbits/s), som USB leverer, er tilstrækkelige til de fleste applikationer, og USB har god fleksibilitet og bærbarhed. Ethernet kan understøtte længere kabelafstande og distribuerede DAQ-systemer i fysisk store applikationer. PCI- og PCIe-busser gør det muligt at tilslutte enheder til en stationær computer med henblik på datalogning og analyse. PXI- og PXIe-busserne ligner PCI og PCIe, men tilbyder bedre synkroniseringsmuligheder, hvilket gør det muligt at konsolidere og sammenligne store mængder data.

Tabel 1: DAQ-kommunikationsbusvalg er en vigtig del af chassisvalget. Bussen skal tilpasses til de nødvendige dataoverførselshastigheder, afstande og behov for bærbarhed. (Billedkilde: NI)

Når chassiset er valgt, kan designere vælge mellem over 60 moduler i C-serien til måle-, kontrol- og kommunikationsapplikationer. Der findes moduler i C-serien, som kan tilsluttes til stort set alle sensorer eller busser og giver mulighed for målinger med høj nøjagtighed, der opfylder kravene til DAQ- og kontrolapplikationer (Figur 7). Disse hot swappable moduler har en målespecifik signalkonditionering til at filtrere støj og isolere data, A/D-konvertering samt en række forskellige indgangsstik.

Figur 7: Modulerne i C-serien har en fælles formfaktor, kan hotplugges i ethvert CompactDAQ-chassis og er tilgængelig med en række forskellige indgangsstik, der passer til behovene i forskellige applikationer. (Billedkilde: NI)

Modulerne i C-serien kan bruges til mange DAQ- og kontrolfunktioner, herunder:

• Analoge indgangsmoduler har op til 16 kanaler til tilslutning af spænding, strøm og almindelige sensorer til måling af temperatur, lyd, belastning, tryk, belastning, vibrationer og meget mere.
  • NI 9239 er et firekanals analogt indgangsmodul til generelle formål. Hver kanal har et måleområde på ±10 volt med 24-bit opløsning og udsender 50 kilosamples pr. sekund (kS/s) data ved den maksimale samplingfrekvens.
• Analoge udgangsmoduler er tilgængelig med 2, 4 og 16 kanaler og kan bruges til at generere spændingssignaler og styre industrielle strømdrevne aktuatorer
  • NI 9263 er et firekanals analogt udgangsmodul med NIST-kalibrering (National Institute of Standards and Testing), der kan spores, samt overspændingsbeskyttelse, kortslutningsbeskyttelse, hurtig slew-rate og høj nøjagtighed.
• Digitale ind- og udgangsmoduler kan bruges til at generere og læse digitale signaler. Digitale indgangsmoduler er tilgængelig med 4, 6, 8, 16 og 32 kanaler, og udgangs- og tovejs-moduler er tilgængelig med 8, 16 og 32 kanaler.
  • NI 9423 er et otte-kanals digitalt indgangsmodul, der er kompatibelt med 24-voltssignaler og er designet til at arbejde med industrielle logiske niveauer og signaler til direkte tilslutning til en række industrielle kontakter, transducere, sensorer og andre enheder.
  • NI 9472 er et otte-kanals digitalt udgangsmodul, der er kompatibelt med signaler på 6 til 30 volt og kan tilsluttes direkte til en række industrielle enheder såsom aktuatorer, relæer og motorer.

Integration af software

Det sidste trin i opbygningen af et kompakt DAQ-system er software. NI-DAQmx API (Application Programming Interface) fungerer direkte med en række udviklingsmuligheder, herunder LabVIEW, C, C# og Python. API'et understøtter problemfri drift på tværs af alle NI DAQ-enheder og minimerer gen-udviklingsarbejde som følge af hardwareopgraderinger eller -ændringer, og det omfatter adgang til dokumentation, hjælpefiler og talrige eksempler på software, der er klar til at køre, så du kan komme i gang med at udvikle applikationer.

Udviklerne kan vælge det programmeringsniveau, der er nødvendigt for hvert projekt (figur 8). FlexLogger-softwaren til datalogning giver et intuitivt sensorfokuseret konfigurationsudviklingsmiljø, der kan integreres med NI's LabVIEW til brugerdefineret analyse. Brugen af LabVIEW giver mulighed for at konfigurere hardware ved hjælp af interaktive analysepaneler eller et fuldt udstyret programmeringsmiljø. Avancerede udviklere kan bruge de fleste programmeringssprog til at skabe en interface direkte til DAQmx API'et for at opnå tilpasning og ydeevne.

Figur 8: Et flowdiagram for valg af DAQ-software viser, hvordan udviklere kan vælge det programmeringsniveau, de ønsker at foretage for hvert projekt. (Billedkilde: NI)

Konklusion

Det kan være en kompleks opgave at designe en DAQ, hvis man starter helt fra bunden. Sensorer, signalbehandling, behandling, I/O og software skal opfylde den pågældende opgave og samtidig give mulighed for ændringer og opgraderinger med tiden. I stedet for at sætte elementerne sammen kan udviklere anvende en modulær tilgang til hurtigt og effektivt at designe et kompakt DAQ-system, der omfatter sensorer, hardware og software, som alle kan udskiftes med tiden, efterhånden som applikationskravene ændres.

Desuden understøtter den fremgangsmåde, der er vist i denne artikel, forskellige kommunikationsbusser, herunder PCI og PCIe, High-Speed USB, PXI og PXIe samt Ethernet 2.0, for at opfylde specifikke systemkrav. Den bruger hot swappable moduler til at levere målespecifik signalkonditionering til at filtrere støj og isolere data, og A/D-konvertering samt et udvalg af indgangsstikstyper. Det er også fleksibelt og kan integreres med forskellige målesoftware, herunder LabVIEW, C, C# og Python.

Anbefalet læsning

1. Hvordan man designer et multikanals dataindsamlingssystem til generelle formål