Slik bygger du et kompakt system for datainnsamling

Datainnsamling (DAQ – data acquisition) er en viktig funksjon i en rekke forsknings- og produktutviklingsaktiviteter som spenner fra konstruksjonsvalidering og -verifisering til akselerert testing av levetid og produksjon, for å nevne noen. Selv om de viktige elementene i et DAQ-system er enkle, slik som sensorer, målemaskinvare og programvare, blir ting gjerne mer kompliserte når vi beveger oss videre.

Systemet kan være nødvendig for å måle et bredt spekter av fysiske fenomener, så det må være fleksibelt og skalerbart, samtidig som det er robust og pålitelig, og kostnader er alltid en faktor. Som et resultat er det komplekst å spesifisere og bygge et DAQ-system. Hvis systemet er overspesifisert, vil det være kostbart og potensielt tungvint å bruke. Hvis det er underspesifisert, vil det være uegnet for nåværende eller fremtidige oppgaver. For å løse dette dilemmaet, kan konstruktører velge en modulær tilnærming som starter med et robust, kraftig kabinett med flere spor for ekstra prosesseringsytelse, funksjoner og tilkoblingsmuligheter, noe som kan være nødvendig over tid.

Denne artikkelen gjennomgår ytelsesmålingene til DAQ-systemer som spesifikatorene må være oppmerksomme på, deriblant digitalisering av analoge signaler, Nyquist-samplingsteoremet og alias-effekten, inngangsområder, samplingsfrekvenser og multiplekset kontra simultan sampling. Deretter presenterer den en modulbasert tilnærming basert på National Instruments sitt CompactDAQ-kabinett, analoge og digitale I/O-moduler og programvarekomponenter som omfatter valg av utviklingsmiljø, drivere og analyse-/rapporteringsverktøy.

DAQ-krav og ytelsesmålinger

Som nevnt omfatter en DAQ på et grunnleggende nivå sensorer, signalbehandling, A-D-omformere, prosessorer og tilknyttet programvare (figur 1). Oppgaven for konstruktører er å samsvare systemelementene med det som måles og analyseres, samtidig som kostnader og konfigurasjonstiden holdes nede på et minimum.

Figur 1: DAQ-systemer består av sensorer, DAQ-måleenheter som gir signalbehandling og datakonvertering, samt databehandlingsressurser som inkluderer drivere og programvare. (Bildekilde: NI)

For å kunne samsvare elementene er det viktig å forstå at presisjon, signalamplitude og signalfrekvens er de grunnleggende parametrene i et DAQ-system. Disse oversettes til henholdsvis målingsoppløsning, rekkevidde og frekvens. I mange konstruksjoner er oppløsning det viktigste hensynet som må tas. Oppløsning definerer antallet tilgjengelige målingsverdier. For eksempel kan en enhet med 3-biters oppløsning måle 8 mulige verdier (2³), mens en enhet med 6-biters oppløsning kan måle 64 (2⁶) mulige verdier (figur 2). Høyere oppløsning oversettes til målinger som reflekterer signalet på en mer nøyaktig måte.

Figur 2: Presisjon i en DAQ-enhet oversettes til oppløsning. En DAQ-enhet med 6-biters oppløsning gir 8 ganger så mye informasjon (8 ganger så nøyaktig) som en enhet med 3-biters oppløsning. (Bildekilde: NI)

En gitt ADC vil konfigureres til å måle over et angitt inngangsområde, for eksempel ±10 volt, og oppløsningen til DAQ-enheten gjelder for det totale området. Hvis en måling utføres over et mindre område, for eksempel ±2 volt, er resultatet en måling med en brøkdel (i dette tilfellet omtrent 20 %) av den spesifiserte oppløsningen til DAQ-enheten (figur 3). Bruk av en DAQ-enhet med valgbare inngangsområder kan løse dette problemet. Vanlige inngangsområder inkluderer ±10 volt, ±5 volt, ±1 volt og ±0,2 volt. Skalering av inngangsområdet for å passe til signalområdet resulterer i målinger av høyere kvalitet.

Figur 3: Bruk av en DAQ-enhet med 3-biters oppløsning og et område på ±10 volt (røde linjer på venstre side og gule stiplede linjer øverst og nederst på området) for å måle et signal på ±2 volt (hvit sinusbølge) resulterer i et betydelig tap av nøyaktighet. (Bildekilde: NI)

Samplingsfrekvens, Nyquist og oversampling

Samplingsfrekvens er frekvensen som A-D-omformeren bruker til å konverterer de analoge inndataene til digitale data. Samplingsfrekvens og oppløsning kan være omvendt korrelert. Høyere samplingsfrekvenser er ofte kun mulig ved å redusere antallet bits i oppløsningen, fordi en høyere frekvens gir A-D-omformeren mindre tid til å digitalisere signalet. Som et resultat er det viktig å optimalisere samplingsfrekvensen.

Nyquist-samplingsteoremet er nyttig her: Det sier at en samplingsfrekvens, f_s, som overskrider to ganger den maksimale signalfrekvensen, vil resultere i en nøyaktig måling av frekvensen til det opprinnelige signalet. Dette kalles Nyquist-frekvensen, f_/N. For å nøyaktig måle formen og frekvensen til det opprinnelige signalet, krever Nyquist-teoremet at f_s er 5 til 10 ganger den maksimale signalfrekvensen. Bruk av samplingsfrekvens høyere enn f_N kalles oversampling.

I tillegg til å forstå f_N, er alias-effekt og dobbeltkontur (ghosting) utfordringer som må håndteres under optimalisering av f_s. Alias-effekt er en effekt som forårsaker forvrengning i spekteret til et samplet signal fordi samplingsfrekvensen er for lav til å fange høyfrekvent innhold på en nøyaktig måte. Oversampling kan eliminere alias-effekt. Oversampling er også nyttig for å fange raske signalkanter, engangshendelser og transienter. Hvis f_s imidlertid er for høy, kan et fenomen som kalles dobbeltkontur oppstå under multiplekset sampling.

Ved høye multipleksede samplingsfrekvenser blir innsvingningstiden for hver inngangskanal en faktor. Dobbeltkontur skjer når samplingsfrekvensen overstiger innsvingningstiden til DAQ-enheten. På dette tidspunktet vil signaler på tilstøtende kanaler føre til interferens, noe som resulterer i dobbeltkontur og unøyaktige målinger (figur 4).

Figur 4: Til venstre er samplingsfrekvensen lav nok til at det er mulig å oppnå riktig innsvingning mellom målingene på kanal 0 (rød) og 1 (blå). Til høyre oppstår dobbeltkontur fordi samplingsfrekvensen er for høy, og kanal 0 påvirker målingen på kanal 1. (Bildekilde: NI)

Den effektive samplingsfrekvensen til en DAQ-enhet påvirkes av valget av en simultan eller multiplekset arkitektur. Simultan sampling bruker én ADC per inngangskanal og leverer full samplingsfrekvens på alle kanaler, uavhengig av antall kanaler (figur 5).

Simultan sampling gjør det mulig å ta flere samplinger samtidig. En simultan arkitektur er relativt dyr og involverer flere komponenter som kan begrense antall kanaler som er tilgjengelige i én enkelt DAQ-enhet. I en multiplekset arkitektur brukes en multiplekser (mux) til å dele én enkelt A-D-omformer mellom alle kanalene, noe som reduserer den maksimale frekvensen som er tilgjengelig for hver kanal. Samplinger hentes inn i serie med forsinkelser mellom kanalene. Multiplekset arkitektur koster mindre og kan resultere i en DAQ-enhet med større kanaltetthet.

Figur 5: Simultan sampling leverer full datahastighet på alle kanaler. I multiplekset sampling deles imidlertid full samplingsfrekvens mellom alle kanalene, noe som resulterer i en lavere frekvens per kanal. (Bildekilde: NI)

Bygge et kompakt D-A-omformer (DAC)-system

Det første trinnet når det kommer til å bygge et DAC-system, er å velge CompactDAQ-kabinettet. Kabinetter er tilgjengelige med forskjellige kommunikasjonsbusser, deriblant PCI og PCI Express (PCIe), High-Speed USB, PXI og PXI Express (PXIe) og Ethernet 2.0 samt 1 til 14 spor for NI sine I/O-moduler i C-serien. For eksempel har 781156-01 åtte spor og et USB 2.0-grensesnitt (figur 6). Flere måletyper og kanaler kan legges til i systemet ved å enkelt plugge inn moduler. Alle moduler blir automatisk detektert og synkronisert med klokken i bakplanet på kabinettet.

Figur 6: 781156-01 CompactDAQ-kabinettet har åtte spor og et USB 2.0 High-Speed-grensesnitt. (Bildekilde: NI)

Kommunikasjonsbussen er en viktig del av kabinettspesifikasjonen (tabell 1). USB leverer 60 Mb/s, noe som er tilstrekkelig for de fleste konstruksjoner, og USB har god fleksibilitet og bærbarhet. Ethernet kan støtte lengre kabelavstander og distribuerte DAQ-systemer i fysisk store konstruksjoner. PCI- og PCIe-busser gjør det mulig å koble enheter til en stasjonær datamaskin for å oppnå datalogging og -analyse. PXI- og PXIe-busser ligner på PCI og PCIe, men tilbyr overlegne synkroniseringsmuligheter, noe som muliggjør konsolidering og sammenligning av store mengder data.

Tabell 1: Valg av DAQ-kommunikasjonsbuss er en viktig del under valg av kabinett. Bussen må samsvares med de nødvendige dataoverføringshastighetene, avstandene og behovene for bærbarhet. (Bildekilde: NI)

Når kabinettet er valgt, kan konstruktører velge mellom over 60 moduler i C-serien for måling, styring og kommunikasjon. Det finnes moduler i C-serien som kan kobles til praktisk talt alle sensorer eller busser, og de muliggjør målinger med høy nøyaktighet som oppfyller kravene til DAQ- og styringskonstruksjoner (figur 7). Disse modulene som kan utskiftes under drift gir målespesifikk signalbehandling for å filtrere støy og isolere data, analog til digital konvertering, pluss en rekke inngangskontakter.

Figur 7: Moduler i C-serien har et vanlig format, de kan plugges inn i et hvilket som helst CompactDAQ-kabinett under drift, og de er tilgjengelige med en rekke inngangskontakter slik at de kan tilfredsstille behovene til ulike konstruksjoner. (Bildekilde: NI)

Moduler i C-serien kan brukes for mange DAQ- og styringsfunksjoner, deriblant:

• Analoge inngangsmoduler har opptil 16 kanaler for konnektivitet med spenning, strøm og vanlige sensorer for måling av temperatur, lyd, belastning, trykk, last, vibrasjon og mer.
  • NI 9239 er en firekanals analog inngangsmodul for generell bruk. Hver kanal gir et måleområde på ±10 volt med en oppløsning på 24 bits, og sender ut data på 50 kilosamplinger per sekund (kS/s) ved sin maksimale samplingsfrekvens.
• Analoge utgangsmoduler er tilgjengelige med 2, 4 og 16 kanaler og kan brukes til å generere spenningssignaler og styre strømdrevne industriaktuatorer
  • NI 9263 er en firekanals analog utgangsmodul med NIST (National Institute of Standards and Testing) sporbar kalibrering, samt overspenningsvern, kortslutningsvern, rask svinghastighet og høy presisjon.
• Digitale inngangs- og utgangsmoduler kan brukes til å generere og lese digitale signaler. Digitale inngangsmoduler er tilgjengelige med 4, 6, 8, 16 og 32 kanaler. Utgangsmoduler og toveis moduler tilbys med 8, 16 og 32 kanaler.
  • NI 9423 er en åtte-kanals digital inngangsmodul som er kompatibel med 24-volts signaler, og den er konstruert for å fungere med industrielle logikknivåer og signaler for direkte tilkobling til en rekke industrielle brytere, transdusere, sensorer og andre enheter.
  • NI 9472 er en åtte-kanals digital utgangsmodul som er kompatibel med signaler på 6 til 30 volt, og de kan kobles direkte til en rekke industrielle enheter, for eksempel aktuatorer, reléer og motorer.

Programvareintegrasjon

Det siste trinnet når det kommer til å bygge et kompakt DAQ-system, er programvaren. NI-DAQmx API-en (application programming interface) fungerer direkte med en rekke utviklingsalternativer, deriblant LabVIEW, C, C# og Python. API-en støtter sømløs drift på tvers av alle NI DAQ-enheter og minimerer nytt utviklingsarbeid som følge av maskinvareoppgraderinger eller -endringer, og inkluderer tilgang til dokumentasjon, hjelpefiler og mange kjøreklare programvareeksempler for å komme i gang med utviklingen.

Utviklere kan finjustere nivået av programmering som trengs for hvert prosjekt (figur 8). FlexLogger-dataloggingsprogramvaren tilbyr et intuitivt sensorfokusert konfigurasjonsutviklingsmiljø som kan integreres med NI LabVIEW for tilpasset analyse. Bruken av LabVIEW støtter muligheten til å konfigurere maskinvare ved å bruke interaktive analysepaneler eller et fullverdig programmeringsmiljø. Avanserte utviklere kan bruke de fleste programmeringsspråk til å samhandle direkte med DAQmx API-en for tilpasning og ytelse.

Figur 8: Et flytdiagram for valg av DAQ-programvare viser hvordan utviklere kan finjustere nivået av programmering de ønsker å gjøre for hvert prosjekt. (Bildekilde: NI)

Konklusjon

Å utforme en DAQ kan være en kompleks oppgave hvis du starter fra bunnen av. Sensorer, signalbehandling, prosessering, I/O og programvare må møte kravene til den aktuelle oppgaven, samtidig som det åpnes for modifikasjoner og oppgraderinger over tid. I stedet for å sy sammen elementene, kan utviklere velge å bruke en modulær tilnærming for å raskt og effektivt konstruere et kompakt DAQ-system som inkluderer sensorer, maskinvare og programvare, som alle kan byttes over tid etter hvert som kravene til konstruksjonen endres.

I tillegg støtter fremgangsmåten som vises i denne artikkelen forskjellige kommunikasjonsbusser, deriblant PCI og PCIe, High-Speed USB, PXI og PXIe og Ethernet 2.0 for å oppfylle spesifikke systemkrav. Den bruker moduler som kan utskiftes under drift for å gi målespesifikk signalbehandling som filtrerer støy og isolerer data, analog til digital konvertering, pluss en rekke inngangskontakttyper. Den er også fleksibel og kan integreres med ulike programmer for måling, deriblant LabVIEW, C, C# og Python.

Anbefalt lesing

1. Slik konstruerer du et grunnleggende flerkanals system for datainnsamling