Měřící systém vyžaduje měření široké škály fyzikálních jevů. Z toho důvodu musí být flexibilní a zároveň odolný a spolehlivý, přičemž nejdůležitějším faktorem bývá bohužel cena. Specifikace a stavba systému DAQ není jednoduchou záležitostí. Pokud je systém předimenzován, bude nákladný, ale možná málo flexibilní. Proto je vhodné použít modulární přístup, který začíná robustním, vysoce výkonným šasi pro více modulů. Díky modulům lze přidávat další funkce a možnosti připojení, které mohou být časem vyžadována danou aplikací.
Tento článek obecně popisuje požadavky na měřící systém DAQ včetně digitalizace analogových signálů, Nyquistova vzorkovacího teorému a aliasingu, vstupních rozsahů, vzorkovacích frekvencí a multiplexovaného versus simultánního vzorkování. Poté si představíme modulární řešení CompactDAQ od National Instruments , analogové a digitální I/O moduly a softwarové komponenty včetně vývojového prostředí, ovladačů a nástrojů pro analýzu a reporting.
Požadavky na měřící systém DAQ
Měřící systém DAQ na základní úrovni by měl obsahovat senzory, nástroje pro úpravu a zpracování signálu, analogově-digitální převodníky (ADC), procesory a k tomu příslušný software (obrázek 1). Úkolem je sladit prvky systému s tím, co se má měřit a analyzovat, a zároveň udržet na uzdě náklady a dobu pro konfiguraci měřícího setupu.
Obrázek 1: Měřící systémy DAQ se skládají ze senzorů, měřicích zařízení DAQ, která zajišťují úpravu signálu a konverzi dat. Dále by měl mít k dispozici výpočetní zdroje, které zahrnují ovladače a aplikační software. (Zdroj obrázku: NI)
Přesnost, amplituda signálu a frekvence signálu jsou základními parametry systému DAQ. Tyto parametry se promítají do rozlišení, rozsahu a rychlosti měření. V mnoha případech je rozlišení nejdůležitějším faktorem. Rozlišení definuje počet dostupných naměřených hodnot. Například zařízení s 3bitovým rozlišením může měřit 8 možných hodnot (23), zatímco zařízení s 6bitovým rozlišením může měřit 64 (26) možných hodnot (obrázek 2).
Obrázek 2: DAQ zařízení s 6bitovým rozlišením poskytuje 8krát větší množství informací (je 8krát přesnější) než zařízení s 3bitovým rozlišením. (Zdroj obrázku: NI)
Pokud je ADC převodník nastaven na měření v rozsahu ±10 V, pak se rozlišení vztahuje na celý tento rozsah. Pokud se měření provádí v menším rozsahu, například ±2 V, výsledek měření je pořád se stejným rozlišením (obrázek 3). Tento problém se může vyřešit použitím zařízení DAQ s volitelnými vstupními rozsahy. Běžné jsou vstupní rozsahy ±10 V, ±5 V, ±1 V a ±0,2 V. Adaptivní změna vstupního rozsahu by měla být taková, aby odpovídala rozsahu měřeného signálu, a to vede k vyšší kvalitě měření.
Obrázek 3: Použití zařízení DAQ s 3bitovým rozlišením a rozsahem ±10 voltů (červené čáry vlevo a žluté tečkované čáry v horní a dolní části rozsahu) k měření signálu ±2 V (bílá sinusovka ) má za následek významnou ztrátu přesnosti. (Zdroj obrázku: NI)
Vzorkovací frekvence, Nyquist a převzorkování
Vzorkovací frekvence je rychlost, kterou ADC převodník převádí analogový vstup na digitální data. Vzorkovací frekvence a rozlišení mohou být nepřímo korelovány. Vyšší vzorkovací frekvence se často dosahuje snížením bitů rozlišení. Proto je důležité najít kompromis mezi vzorkovací frekvenci a rozlišením. K tomu nám pomůže Nyquistova věta o vzorkování:
Vzorkovací frekvence fs, která překročí dvojnásobek maximální frekvence signálu vede k přesnému měření frekvence původního signálu. Tato frekvence se nazývá Nyquistova frekvence fN. Aby bylo možné přesně změřit tvar a frekvenci původního signálu, Nyquistův teorém vyžaduje, aby vzorkovací frekvence fs byla 5 až 10 násobkem maximální frekvence signálu. Použití vzorkovací frekvence vyšší než fN se nazývá převzorkování.
Kromě porozumění Nyquistovy frekvence fN je potřeba porozumět termínům jako je aliasing a ghosting. Aliasing je efekt, který způsobuje zkreslení spektra vzorkovaného signálu v důsledku příliš nízké vzorkovací frekvence. Vysokofrekvenční obsah se tak nezachytí. Převzorkování může snížit dopady aliasingu. Převzorkování je důležité také proto, abychom dokázali zachytit rychlé změny signálu, jednorázové a přechodné jevy. Pokud je však vzorkovací frekvence fs příliš vysoká, může během multiplexního vzorkování nastat jev zvaný ghosting. Při vysokých multiplexovaných vzorkovacích frekvencích se čas ustálení každého vstupního kanálu stává důležitým parametrem. Ghosting nastane, když vzorkovací frekvence překročí dobu ustálení DAQ zařízení. To znamená, že se signály na sousedních kanálech ruší, a to vede k tzv. „duchům“ a nepřesným měřením (obrázek 4).
Obrázek 4: Vlevo je vzorkovací frekvence dostatečně nízká, aby umožnila správné měření na kanálech 0 (červená) a 1 (modrá). Vpravo se objevuje duch, protože vzorkovací frekvence je příliš vysoká a kanál 0 ovlivňuje měření na kanálu 1. (Zdroj obrázku: NI)
Efektivní vzorkovací frekvence DAQ zařízení je ovlivněna výběrem simultánní nebo multiplexní architektury. Simultánní vzorkování využívá jeden ADC převodník na vstupní kanál a poskytuje plnou vzorkovací frekvenci na všech kanálech, nezávisle na počtu kanálů (obrázek 5).
Simultánní vzorkování umožňuje získat více vzorků najednou. Simultánní architektura je relativně drahá, jelikož se může omezit počet kanálů dostupných v jednom DAQ modulu. V multiplexní architektuře se používá multiplexer ke sdílení jednoho ADC mezi všemi kanály, čímž se snižuje maximální rychlost dostupná pro každý kanál. Vzorky jsou získávány v sérii se zpožděním mezi kanály. Multiplexní architektury nejsou tak nákladné a lze díky nim vytvořit DAQ zařízení s větší hustotou kanálů.
Obrázek 5: Simultánní vzorkování poskytuje plnou datovou rychlost na všech kanálech, zatímco u multiplexovaného vzorkování je plná vzorkovací frekvence sdílena mezi všemi kanály, a to má za následek nižší rychlost na kanál. (Zdroj obrázku: NI)
Vybudování kompaktního DAC systému
Prvním krokem při budování systému DAC (Data Acquisition and Control) je výběr šasi CompactDAQ. Šasi jsou k dispozici s různými komunikačními sběrnicemi včetně PCI a PCI Express, USB, PXI a PXI Express a Ethernet 2.0. K dispozici jsou šasi od jednoho do 14 slotů pro I/O moduly NI řady C. Například 781156-01 má osm slotů a rozhraní USB 2.0 (obrázek 6). Další druhy měření a další kanály lze do systému přidat jednoduchým přidáním modulu. Všechny moduly jsou automaticky detekovány a synchronizovány s hodinami na základní desce šasi.
Obrázek 6: Šasi 781156-01 CompactDAQ má osm slotů a vysokorychlostní rozhraní USB 2.0. (Zdroj obrázku: NI)
Komunikační sběrnice je důležitou součástí specifikace šasi (Tabulka 1).Rychlost rozhraní USB dosahuje hodnoty až 60 Mbit/s a to je dostačující pro většinu aplikací. Ethernet je vhodné volit pro vzdálené měřící systémy a velké aplikace. Sběrnice PCI a PCIe umožňují připojení ke stolnímu počítači pro záznam a analýzu dat. Sběrnice PXI a PXIe jsou podobné sběrnicím PCI a PCIe, ale nabízejí vynikající možnosti synchronizace, a to umožňuje sběr a porovnání velkého množství dat.
Tabulka 1: Výběr komunikační sběrnice DAQ je důležitou součástí výběru šasi. Sběrnice by měla odpovídat požadovaným rychlostem přenosu dat, vzdálenostem a potřebě přenositelnosti. (Zdroj obrázku: NI)
Po výběru šasi si lze vybrat z více než 60 modulů řady C pro měření, řízení a komunikaci. K dispozici jsou moduly řady C, které lze připojit prakticky k jakémukoli senzoru nebo sběrnici a umožňují vysoce přesná měření, která splňují požadavky DAQ a řídicích aplikací (obrázek 7). Tyto moduly jsou vyměnitelné za provozu a poskytují nejen úpravu signálu, ale i filtrování šumu, analogově-digitální konverzi a nabízí pestrou řadu vstupních konektorů.
Obrázek 7: Moduly řady C je lze zapojit za provozu do jakéhokoli šasi CompactDAQ a jsou k dispozici s řadou vstupních konektorů, aby vyhovovaly potřebám různých aplikací. (Zdroj obrázku: NI)
Moduly řady C lze použít pro mnoho DAQ aplikací:
Analogové vstupy mají až 16 kanálů pro konektivitu s napěťovými, proudovými senzory pro měření teploty, zvuku, napětí, tlaku, zatížení, vibrací a další. Například NI 9239 je čtyřkanálový analogový vstupní modul pro všeobecné použití. Každý kanál poskytuje rozsah měření ±10 V s 24bitovým rozlišením s maximální vzorkovací frekvencí 50 kS/s.
Analogové výstupní moduly jsou k dispozici se 2, 4 a 16 kanály a lze je použít pro generování napěťových signálů a ovládání průmyslových zařízení. Příkladem je čtyřkanálový analogový výstupní modul NI 9263 s kalibrací National Institute of Standards and Testing (NIST), plus přepěťovou ochranou, ochranou proti zkratu, vysokou rychlostí přeběhu a vysokou přesností.
Moduly s digitálními vstupy a výstupy lze použít pro generování a čtení digitálních signálů. Digitální vstupní moduly jsou k dispozici se 4, 6, 8, 16 a 32 kanály, výstupní a obousměrné moduly jsou nabízeny s 8, 16 a 32 kanály. NI 9423 je osmikanálový digitální vstupní modul pro signály s napětím do 24 V. Modul je navržen pro práci s průmyslovými logickými úrovněmi a signály pro přímé připojení k řadě průmyslových spínačů, převodníků, senzorů a dalších zařízení. NI 9472 je osmikanálový digitální výstupní modul pro signály s napětím mezi 6 až 30 V a lze je připojit přímo průmyslovým akčním členům, relé a motorům.
Podporující software
Ke každému měřícímu systému patří rychlý a spolehlivý software. NI-DAQmx přímo spolupracuje s celou řadou programovacích jazyků včetně LabVIEW, C, C# a Pythonu. Rozhraní API podporuje bezproblémový provoz napříč všemi zařízeními v portfoliu NI DAQ. Součástí podpory je přístup k aktuálním firmware pro jednotlivé moduly, dokumentaci a příkladům, které zrychlí vývoj měřícího setupu.
Vývojáři mohou nastavit úroveň programování pro každý projekt (obrázek 8). Software pro záznam dat FlexLogger poskytuje intuitivní vývojové prostředí zaměřené na senzory, které lze integrovat s LabVIEW pro vlastní analýzu. LabVIEW NXG nabízí konfiguraci hardware pomocí interaktivních analytických panelů nebo plnohodnotného programovacího prostředí.
Obrázek 8: Vývojový diagram výběru software DAQ ukazuje, jak lze nastavit úrovně programování pro každý projekt zvlášť. (Zdroj obrázku: NI)
Závěr
Návrh měřícího systému DAQ může být složitý úkol, pokud se začíná od nuly. Pro značné zjednodušení je dobré využít vlastností modulárního systému, který nabízí širokou škálu měřících karet, senzorů, analogových a digitálních vstupů/výstupů a je neuvěřitelně flexibilní. Lze jej integrovat s různým měřicím softwarem včetně LabVIEW, C, C# a Pythonu.
Doplňující informace:
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.
