วิธีสร้างระบบการได้มาซึ่งข้อมูลขนาดกะทัดรัด

การได้มาซึ่งข้อมูล (DAQ) เป็นหน้าที่หลักในกิจกรรมการวิจัยและวิศวกรรมที่หลากหลายตั้งแต่การตรวจสอบการออกแบบและการตรวจสอบไปจนถึงการทดสอบชีวิตและการผลิตที่รวดเร็วยิ่งขึ้น แม้ว่าองค์ประกอบหลักของระบบ DAQ จะตรงไปตรงมา: เซ็นเซอร์ ฮาร์ดแวร์การวัด และซอฟต์แวร์ จากนั้นสิ่งต่าง ๆ อาจซับซ้อน

ระบบอาจจำเป็นต้องวัดปรากฏการณ์ทางกายภาพที่หลากหลาย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีความยืดหยุ่นและสามารถปรับขนาดได้ ในขณะเดียวกันก็ทนทานและเชื่อถือได้ และราคาก็เป็นปัจจัยหนึ่งเสมอ ด้วยเหตุนี้ การระบุและสร้างระบบ DAQ จึงมีความซับซ้อน หากระบบมีการระบุมากเกินไป จะมีค่าใช้จ่ายสูงและอาจยุ่งยากในการใช้งาน หากไม่ได้ระบุไว้ จะไม่เหมาะกับงานในปัจจุบันหรืออนาคต เพื่อแก้ไขภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก นักออกแบบสามารถใช้แนวทางโมดูลาร์ที่เริ่มต้นด้วย chassis ที่ทนทานและประสิทธิภาพสูงพร้อมช่องหลายช่องสำหรับประสิทธิภาพการประมวลผลเพิ่มเติม คุณสมบัติ และตัวเลือกการเชื่อมต่อที่อาจต้องใช้เมื่อเวลาผ่านไป

บทความนี้ทบทวนตัวชี้วัดประสิทธิภาพของระบบ DAQ ที่ตัวระบุจำเป็นต้องทราบ รวมถึงการแปลงสัญญาณอนาล็อกให้เป็นดิจิทัล ทฤษฎีบทและนามแฝงการสุ่มตัวอย่าง Nyquist ช่วงอินพุต อัตราการสุ่มตัวอย่าง และการสุ่มตัวอย่างแบบมัลติเพล็กซ์เทียบกับการสุ่มตัวอย่างพร้อมกัน จากนั้นจะนำเสนอวิธีการแบบแยกส่วนตาม CompactDAQ chassis ของ National Instruments โมดูล I/O แบบอนาล็อกและดิจิทัล และส่วนประกอบซอฟต์แวร์ รวมถึงตัวเลือกสภาพแวดล้อมการพัฒนา ไดรเวอร์ และเครื่องมือวิเคราะห์/การรายงาน

ข้อกำหนด DAQ และตัวชี้วัดประสิทธิภาพ

ดังที่กล่าวไว้ DAQ ที่ระดับพื้นฐานประกอบด้วยเซ็นเซอร์ การปรับสภาพสัญญาณ ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) โปรเซสเซอร์ และซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้อง (รูปที่ 1) งานสำหรับนักออกแบบคือการจับคู่องค์ประกอบของระบบกับสิ่งที่กำลังวัดและวิเคราะห์ ในขณะที่ควบคุมต้นทุนและเวลาในการตั้งค่า

รูปที่ 1: ระบบ DAQ ประกอบด้วยเซ็นเซอร์ อุปกรณ์วัด DAQ ที่ให้การปรับสภาพสัญญาณและการแปลงข้อมูล และทรัพยากรการคำนวณที่มีไดรเวอร์และซอฟต์แวร์สำหรับการใช้งาน (ที่มาของภาพ: NI)

เพื่อให้เข้ากับองค์ประกอบต่าง ๆ สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าความแม่นยำ แอมพลิจูดของสัญญาณ และความถี่ของสัญญาณเป็นพารามิเตอร์พื้นฐานของระบบ DAQ สิ่งเหล่านี้แปลเป็นความละเอียดช่วงการวัดและอัตราตามลำดับ ในหลาย ๆ แอปพลิเคชัน ความละเอียดคือการพิจารณาที่สำคัญที่สุด ความละเอียดกำหนดจำนวนของค่าการวัดที่มี ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ที่มีความละเอียด 3 บิตสามารถวัดค่าที่เป็นไปได้ 8 ค่า (2³) ในขณะที่อุปกรณ์ที่มีความละเอียด 6 บิตสามารถวัดได้ 64 (2⁶) ค่าที่เป็นไปได้ (รูปที่ 2) ความละเอียดที่สูงขึ้นแปลเป็นการวัดที่สะท้อนสัญญาณได้แม่นยำยิ่งขึ้น

รูปที่ 2: ความแม่นยำในอุปกรณ์ DAQ แปลเป็นความละเอียด อุปกรณ์ DAQ ที่มีความละเอียด 6 บิตให้ปริมาณข้อมูล 8 เท่า (แม่นยำกว่า 8 เท่า) เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ที่มีความละเอียด 3 บิต (ที่มาของภาพ: NI)

ADC ที่กำหนดจะถูกตั้งค่าให้วัดในช่วงอินพุตที่ตั้งค่าไว้ เช่น ±10 โวลต์ และความละเอียดของอุปกรณ์ DAQ จะนำไปใช้กับช่วงทั้งหมด หากทำการวัดในช่วงที่เล็กกว่า เช่น ±2 โวลต์ ผลลัพธ์จะเป็นการวัดที่มีเศษส่วน (ในกรณีนี้ ประมาณ 20%) ของความละเอียดที่ระบุของอุปกรณ์ DAQ (รูปที่ 3) การใช้อุปกรณ์ DAQ ที่มีช่วงอินพุตที่เลือกได้สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้ ช่วงอินพุตทั่วไป ได้แก่ ±10 โวลต์, ±5 โวลต์, ±1 โวลต์ และ ±0.2 โวลต์ การปรับขนาดช่วงอินพุตให้เหมาะสมกับช่วงสัญญาณส่งผลให้มีการวัดคุณภาพที่สูงขึ้น

รูปที่ 3: การใช้อุปกรณ์ DAQ ที่มีความละเอียด 3 บิตและช่วง ±10 โวลต์ (เส้นสีแดงบนเส้นประด้านซ้ายและสีเหลืองที่ด้านบนและด้านล่างของช่วง ตามลำดับ) เพื่อวัดสัญญาณ ±2 โวลต์ (คลื่นไซน์สีขาว ) ส่งผลให้สูญเสียความแม่นยำอย่างมาก (ที่มาของภาพ: NI)

อัตราการสุ่มตัวอย่าง Nyquist และการสุ่มตัวอย่างมากเกินไป

อัตราตัวอย่างคืออัตราที่ ADC แปลงอินพุตแบบอะนาล็อกเป็นข้อมูลดิจิทัล อัตราตัวอย่างและความละเอียดสามารถมีความสัมพันธ์แบบผกผัน อัตราตัวอย่างที่สูงขึ้นมักจะทำได้โดยการลดบิตของความละเอียดเท่านั้น เนื่องจากอัตราที่สูงขึ้นจะช่วยให้ ADC มีเวลาน้อยลงในการแปลงสัญญาณเป็นดิจิทัล ด้วยเหตุนี้ การเพิ่มประสิทธิภาพอัตราการสุ่มตัวอย่างจึงเป็นสิ่งสำคัญ

ทฤษฎีบทการสุ่มตัวอย่าง Nyquist ซึ่งมีประโยชน์มากในกรณีนี้: ระบุว่าอัตราตัวอย่าง f_s ซึ่งมีค่าเกินความถี่สัญญาณสูงสุดสองเท่าจะส่งผลให้มีการวัดความถี่ของสัญญาณดั้งเดิมอย่างแม่นยำ เรียกว่าความถี่ Nyquist, f_N ในการวัดรูปร่างและความถี่ของสัญญาณดั้งเดิมอย่างแม่นยำ ทฤษฎีบท Nyquist ต้องใช้ f_s 5 ถึง 10 เท่าของความถี่สัญญาณสูงสุด โดยใช้อัตราการสุ่มตัวอย่างที่สูงกว่า f_N เรียกว่าการสุ่มตัวอย่างที่มากเกินไป

นอกจากจะเข้าใจ f_N แล้วนั้น นามแฝงและภาพซ้อนก็เป็นความท้าทายที่ต้องจัดการเมื่อมีการเพิ่มประสิทธิภาพ f_s นามแฝงเป็นผลให้เกิดความผิดเพี้ยนในสเปกตรัมของสัญญาณที่สุ่มตัวอย่างเนื่องจากอัตราการสุ่มตัวอย่างต่ำเกินไปที่จะจับเนื้อหาความถี่สูงได้อย่างแม่นยำ การสุ่มตัวอย่างมากเกินไปสามารถกำจัดนามแฝงได้ การสุ่มตัวอย่างเกินยังมีประโยชน์ในการจับภาพขอบสัญญาณที่รวดเร็ว เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นครั้งเดียว และทรานเซียนท์ อย่างไรก็ตามถ้า f_s สูงเกินไป อาจเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ghosting ระหว่างการสุ่มตัวอย่างแบบมัลติเพล็กซ์

ที่อัตราการสุ่มตัวอย่างแบบมัลติเพล็กซ์ที่สูง เวลาการตั้งค่าของแต่ละช่องสัญญาณอินพุตจะกลายเป็นปัจจัยหนึ่ง Ghosting เกิดขึ้นเมื่ออัตราการสุ่มตัวอย่างเกินเวลาการตั้งค่าของอุปกรณ์ DAQ เมื่อถึงจุดนั้น สัญญาณบนช่องสัญญาณที่อยู่ติดกันจะรบกวน ทำให้เกิดแสงหลอกและการวัดค่าที่ไม่ถูกต้อง (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ทางด้านซ้าย อัตราสุ่มตัวอย่างต่ำพอที่จะทำให้การวัดค่าระหว่างช่องสัญญาณ 0 (สีแดง) และ 1 (สีน้ำเงิน) เหมาะสม ทางด้านขวา ภาพซ้อนเกิดขึ้นเนื่องจากอัตราสุ่มตัวอย่างสูงเกินไป และช่อง 0 ส่งผลต่อการวัดในช่อง 1 (ที่มาของภาพ: NI)

อัตราตัวอย่างที่มีประสิทธิภาพของอุปกรณ์ DAQ ได้รับผลกระทบจากการเลือกสถาปัตยกรรมแบบพร้อมกันหรือแบบมัลติเพล็กซ์ การสุ่มตัวอย่างพร้อมกันใช้ ADC หนึ่งช่องต่อช่องสัญญาณอินพุตและให้อัตราการสุ่มตัวอย่างเต็มรูปแบบในทุกช่องสัญญาณ โดยไม่ขึ้นกับจำนวนช่องสัญญาณ (ภาพที่ 5)

การสุ่มตัวอย่างพร้อมกันทำให้สามารถเก็บตัวอย่างได้หลายตัวอย่างพร้อมกัน สถาปัตยกรรมแบบเก็บตัวอย่างพร้อมกันนั้นมีราคาค่อนข้างแพงและมีส่วนประกอบเพิ่มเติมซึ่งสามารถจำกัดจำนวนช่องสัญญาณที่มีอยู่ในอุปกรณ์ DAQ เครื่องเดียวได้ ในสถาปัตยกรรมแบบมัลติเพล็กเซอร์ (mux) ถูกใช้เพื่อแชร์ ADC ตัวเดียวให้ทุกช่องสัญญาณ ซึ่งช่วยลดอัตราสูงสุดที่มีอยู่สำหรับแต่ละช่องสัญญาณ ตัวอย่างจะได้มาตามลำดับโดยมีความล่าช้าระหว่างช่องสัญญาณ สถาปัตยกรรมแบบมัลติเพล็กซ์มีค่าใช้จ่ายน้อยลงและสามารถส่งผลให้อุปกรณ์ DAQ มีความหนาแน่นของช่องสัญญาณมากขึ้น

รูปที่ 5: การสุ่มตัวอย่างพร้อมกันจะมอบอัตราข้อมูลแบบเต็มในทุกช่องสัญญาณ ในขณะที่ในการสุ่มตัวอย่างแบบมัลติเพล็กซ์ อัตราสุ่มตัวอย่างทั้งหมดจะถูกใช้ร่วมกันในทุกช่องสัญญาณ ส่งผลให้อัตราต่อช่องสัญญาณลดลง (ที่มาของภาพ: NI)

การสร้างระบบ DAC ขนาดกะทัดรัด

ขั้นตอนแรกในการสร้างระบบ DAC คือการเลือก CompactDAQ chassis chassis สามารถใช้ได้กับบัสการสื่อสารหลากหลายชนิด รวมถึง PCI และ PCI Express (PCIe), USB ความเร็วสูง, PXI และ PXI Express (PXIe) และอีเทอร์เน็ต 2.0 และตั้งแต่หนึ่งถึง 14 สล็อตสำหรับโมดูล I/O ซีรี่ส์ C ของ NI ตัวอย่างเช่น 781156-01 มีแปดช่องและอินเทอร์เฟซ USB 2.0 (รูปที่ 6) สามารถเพิ่มประเภทการวัดและช่องสัญญาณเพิ่มเติมในระบบโดยเพียงแค่เสียบโมดูล โมดูลทั้งหมดจะถูกตรวจจับและซิงโครไนซ์กับนาฬิกาในแบ็คเพลนของ chassis โดยอัตโนมัติ

รูปที่ 6: 781156-01 CompactDAQ chassis มีแปดช่องและอินเทอร์เฟซ USB 2.0 ความเร็วสูง (ที่มาของภาพ: NI)

บัสการสื่อสารเป็นส่วนสำคัญของข้อมูลจำเพาะของ chassis (ตารางที่ 1) 60 เมกะบิตต่อวินาที (Mbits/s) ที่ส่งโดย USB นั้นเพียงพอสำหรับแอปพลิเคชันส่วนใหญ่ และ USB มีความยืดหยุ่นและพกพาได้ดี อีเทอร์เน็ตสามารถรองรับระยะทางของสายเคเบิลที่ยาวกว่าและระบบ DAQ แบบกระจายในแอปพลิเคชั่นขนาดใหญ่ บัส PCI และ PCIe อนุญาตให้เสียบอุปกรณ์เข้ากับคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปเพื่อบันทึกและวิเคราะห์ข้อมูล บัส PXI และ PXIe นั้นคล้ายกับ PCI และ PCIe แต่ให้ความสามารถในการซิงโครไนซ์ที่เหนือกว่า ทำให้สามารถรวมและเปรียบเทียบข้อมูลปริมาณมากได้

ตารางที่ 1: การเลือกบัสการสื่อสาร DAQ เป็นส่วนสำคัญของการเลือก chassis รถบัสควรจับคู่กับอัตราการส่งข้อมูล ระยะทาง และความจำเป็นในการพกพาที่จำเป็น (ที่มาของภาพ: NI)

เมื่อเลือก chassis แล้ว นักออกแบบสามารถเลือกโมดูล C Series กว่า 60 โมดูลสำหรับแอปพลิเคชันการวัด การควบคุม และการสื่อสาร มีโมดูล C ซีรี่ส์ที่สามารถเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์หรือบัสแทบทุกชนิด และช่วยให้สามารถวัดค่าที่มีความแม่นยำสูงซึ่งตรงกับความต้องการของ DAQ และแอปพลิเคชันควบคุม (รูปที่ 7) โมดูลแบบถอดเปลี่ยนได้เหล่านี้ให้การปรับสภาพสัญญาณเฉพาะการวัดเพื่อกรองสัญญาณรบกวนและแยกข้อมูล การแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล รวมทั้งขั้วต่ออินพุตที่หลากหลาย

รูปที่ 7: โมดูล C ซีรี่ส์มีฟอร์มแฟคเตอร์ร่วมกัน สามารถเสียบ hot-plug เข้ากับ CompactDAQ chassis ใดก็ได้ และพร้อมใช้งานกับตัวเชื่อมต่ออินพุตที่หลากหลายเพื่อให้เหมาะกับความต้องการของการใช้งานที่หลากหลาย (ที่มาของภาพ: NI)

โมดูลซีรีส์ C สามารถใช้กับ DAQ และฟังก์ชันการควบคุมต่าง ๆ ได้มากมาย ได้แก่:

• โมดูลอินพุตแบบอนาล็อก มีมากถึง 16 ช่องสัญญาณสำหรับการเชื่อมต่อกับแรงดัน กระแส และเซ็นเซอร์ทั่วไปสำหรับการวัดอุณหภูมิ เสียง ความเครียด ความดัน โหลด การสั่นสะเทือน และอื่น ๆ
  • NI 9239 เป็นโมดูลอินพุตแบบอนาล็อกสำหรับวัตถุประสงค์การใช้งานทั่วไปสี่ช่องสัญญาณ แต่ละช่องสัญญาณมีช่วงการวัด ±10 โวลต์ที่มีความละเอียด 24 บิต และส่งออกข้อมูล 50 กิโลตัวอย่างต่อวินาที (kS/s) ที่อัตราการสุ่มตัวอย่างสูงสุด
• โมดูลเอาท์พุตแบบอนาล็อก มีให้เลือกทั้งแบบ 2, 4 และ 16 ช่องสัญญาณ และสามารถใช้สำหรับสร้างสัญญาณแรงดันไฟและควบคุมแอคทูเอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยกระแสไฟในอุตสาหกรรม
  • NI 9263 เป็นโมดูลเอาต์พุตอนาล็อกสี่ช่องสัญญาณที่มีการสอบเทียบที่ตรวจสอบย้อนกลับได้ของสถาบันมาตรฐานและการทดสอบแห่งชาติ (NIST) รวมถึงการป้องกันแรงดันไฟเกิน การป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร อัตรา slew rate ที่รวดเร็วและมีความแม่นยำสูง
• โมดูลอินพุตและเอาต์พุตดิจิตอล สามารถใช้สำหรับสร้างและอ่านสัญญาณดิจิตอล โมดูลอินพุตดิจิตอลมีให้เลือก 4, 6, 8, 16 และ 32 ช่อง, โมดูลเอาต์พุตและสองทิศทางมีให้เลือก 8, 16 และ 32 ช่อง
  • NI 9423 เป็นโมดูลอินพุตดิจิตอลแปดช่องสัญญาณที่เข้ากันได้กับสัญญาณ 24 โวลต์ และได้รับการออกแบบมาให้ทำงานร่วมกับระดับลอจิกอุตสาหกรรมและสัญญาณสำหรับการเชื่อมต่อโดยตรงกับอาร์เรย์ของสวิตช์อุตสาหกรรม ทรานสดิวเซอร์ เซ็นเซอร์ และอุปกรณ์อื่น ๆ
  • NI 9472 เป็นโมดูลเอาต์พุตดิจิตอลแปดช่องสัญญาณที่เข้ากันได้กับสัญญาณ 6 ถึง 30 โวลต์ และสามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับอุปกรณ์อุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่น แอคทูเอเตอร์ รีเลย์ และมอเตอร์

การรวมซอฟต์แวร์

ขั้นตอนสุดท้ายในการสร้างระบบ DAQ ขนาดกะทัดรัดคือซอฟต์แวร์ NI-DAQmx Application Programming Interface (API) ทำงานโดยตรงกับตัวเลือกการพัฒนาที่หลากหลาย รวมถึง LabVIEW, C, C# และ Python API รองรับการทำงานที่ราบรื่นในอุปกรณ์ NI DAQ ทั้งหมด และลดความจำเป็นในการปรับปรุงระดับอันเนื่องมาจากการอัปเกรดหรือการเปลี่ยนแปลงฮาร์ดแวร์ และรวมถึงการเข้าถึงเอกสารประกอบ ไฟล์ช่วยเหลือ และตัวอย่างซอฟต์แวร์ที่พร้อมใช้งานจำนวนมากเพื่อเริ่มต้นการพัฒนาแอปพลิเคชันอย่างรวดเร็ว

นักพัฒนาสามารถเรียกระดับการเขียนโปรแกรมที่จำเป็นสำหรับแต่ละโครงการได้ (ภาพที่ 8) ซอฟต์แวร์บันทึกข้อมูล FlexLogger ช่วยให้สภาพแวดล้อมการพัฒนาการกำหนดค่าที่เน้นเซ็นเซอร์ที่ใช้งานง่าย ซึ่งสามารถผสานรวมกับ LabVIEW ของ NI สำหรับการวิเคราะห์ที่กำหนดเองได้ การใช้ LabVIEW รองรับตัวเลือกในการกำหนดค่าฮาร์ดแวร์โดยใช้แผงการวิเคราะห์เชิงโต้ตอบ หรือสภาพแวดล้อมการเขียนโปรแกรมที่มีคุณสมบัติครบถ้วน นักพัฒนาขั้นสูงสามารถใช้ภาษาการเขียนโปรแกรมส่วนใหญ่เพื่อเชื่อมต่อโดยตรงกับ DAQmx API สำหรับการปรับแต่งและประสิทธิภาพ

รูปที่ 8: ผังงานการเลือกซอฟต์แวร์ DAQ แสดงให้เห็นว่านักพัฒนาสามารถเรียกเลขหมายในระดับของการเขียนโปรแกรมที่พวกเขาต้องการทำสำหรับแต่ละโครงการได้อย่างไร (ที่มาของภาพ: NI)

บทสรุป

การออกแบบ DAQ อาจเป็นงานที่ซับซ้อน หากเริ่มต้นจากศูนย์ เซ็นเซอร์ การปรับสภาพสัญญาณ การประมวลผล I/O และซอฟต์แวร์ต้องตรงกับงานที่ทำ และในขณะเดียวกันก็อนุญาตให้ทำการปรับเปลี่ยนและอัปเกรดเมื่อเวลาผ่านไป แทนที่จะรวมองค์ประกอบต่าง ๆ เข้าด้วยกัน นักพัฒนาสามารถใช้แนวทางโมดูลาร์เพื่อออกแบบระบบ DAQ ขนาดกะทัดรัดได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ ซึ่งรวมถึงเซ็นเซอร์ ฮาร์ดแวร์ และซอฟต์แวร์ ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถเปลี่ยนได้ตลอดเวลาเมื่อความต้องการของแอปพลิเคชันเปลี่ยนไป

นอกจากนี้ แนวทางที่แสดงในบทความนี้ยังสนับสนุนบัสการสื่อสารต่าง ๆ รวมถึง PCI และ PCIe, USB ความเร็วสูง, PXI และ PXIe และอีเทอร์เน็ต 2.0 เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดของระบบเฉพาะ ใช้โมดูลแบบถอดเปลี่ยนได้อย่างรวดเร็วเพื่อให้การปรับสภาพสัญญาณเฉพาะการวัดเพื่อกรองสัญญาณรบกวนและแยกข้อมูล และการแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล บวกกับการเลือกรูปแบบตัวเชื่อมต่ออินพุต นอกจากนี้ยังมีความยืดหยุ่นและสามารถรวมเข้ากับซอฟต์แวร์การวัดต่าง ๆ ได้ เช่น LabVIEW, C, C# และ Python

บทความแนะนำ

1. วิธีการออกแบบระบบการรับข้อมูลเอนกประสงค์แบบหลายช่องสัญญาณ