Kisméretű adatgyűjtő rendszer tervezése

Az adatgyűjtés (DAQ) a tervhitelesítéstől és tervellenőrzéstől kezdve a gyorsított élettartamtesztekig és a gyártás során végzett tesztelésig számos kutatási és mérnöki tevékenységben kulcsfontosságú. Bár az adatgyűjtő rendszer alapelemei egyszerűek: érzékelők, mérőeszközök és szoftver, a további részek akár bonyolultak is lehetnek.

Elvárás lehet, hogy a rendszernek sokféle fizikai adatot kell mérnie, ezért rugalmasnak és méretezhetőnek kell lennie, ugyanakkor strapabírónak és megbízhatónak is, és a költség is mindig szempont. Ennek eredményeképpen az adatgyűjtő rendszerek tervezése és kiépítése összetett feladat. Ha a rendszert túlméretezik, akkor költséges lesz, és valószínűleg nehézkes lesz a használata. Ha alulméretezik, akkor alkalmatlan lesz a jelenlegi vagy jövőbeli feladatokra. A dilemma feloldására a tervezők használhatnak modulrendszerű kialakítást, amelynek az alapja egy strapabíró, nagy teljesítményű alapeszköz, több bővítőhellyel ellátva a nagyobb feldolgozási teljesítmény, valamint az újabb funkciók és csatlakoztatási lehetőségek érdekében, amelyekre később szükség lehet.

Ez a cikk áttekinti az adatgyűjtő rendszerek azon teljesítménymutatóit, amelyekkel a tervezőknek tisztában kell lenniük, beleértve az analóg jelek digitalizálását, a Nyquist-féle mintavételezési szabályt és az alul-mintavételezés miatti jellépcsősödést (aliasing), a bemeneti tartományokat, a mintavételi frekvenciákat és a multiplexelt, valamint az egyidejű mintavételt. Ezután bemutat egy modulrendszerű eszközt, amely a National Instruments CompactDAQ alapeszközén alapul, valamint annak analóg és digitális be- és kimeneti (I/O) moduljait és szoftverösszetevőit, beleértve a választható fejlesztési környezeteket, illesztőprogramokat és elemző- és jelentőeszközöket.

Az adatgyűjtéssel szembeni követelmények és a teljesítménymutatók

Mint említettük, az adatgyűjtés alapszinten érzékelőkből, jelformálásból, analóg-digitális átalakítókból (ADC), jelfeldolgozó egységekből és a kapcsolódó szoftverekből áll (1. ábra). A tervezők feladata az, hogy a rendszer alkotóelemeit a mérendő és elemzendő dolgokhoz igazítva válasszák ki, és egyúttal a költségeket és a létrehozási időt is kordában tartsák.

1. ábra: az adatgyűjtő rendszerek érzékelőkből, jelformálást és adatátalakítást is végző adatgyűjtési mérőeszközökből, valamint az illesztőprogramokat és az alkalmazásszoftvereket is tartalmazó számítástechnikai erőforrásokból állnak (kép: NI)

A megfelelő elemek kiválasztásához fontos megérteni, hogy az adatgyűjtő rendszer alapvető paraméterei a pontosság, valamint a jel amplitúdója és frekvenciája. Ezek határozzák meg a mérési felbontást, a mérési tartományt és mintavételi frekvenciát. Sok felhasználási területen a felbontás a legfontosabb szempont. A felbontás a különböző mért értékek lehetséges számát határozza meg. Például egy 3 bites felbontású eszköz 8 (2³), míg egy 6 bites felbontású eszköz 64 (2⁶) különböző értéket tud mérni (2. ábra). A nagyobb felbontás a jelet pontosabban visszaadó méréseket eredményez.

2. ábra: Az adatgyűjtő eszköz pontossága a felbontástól függ. Egy 6 bites felbontású adatgyűjtő eszköz nyolcszor annyi különböző adat megjelenítésére alkalmas (nyolcszor olyan pontos), mint egy 3 bites felbontású (kép: NI)

Egy adott analóg-digitális átalakító úgy van beállítva, hogy egy meghatározott bemeneti tartományban, például ±10 V között mérjen, és az adatgyűjtő eszköz felbontása a teljes tartományra vonatkozik. Ha a mérés kisebb tartományban, például ±2 V között történik, olyan eredményt kapunk, amelynek a pontossága az adatgyűjtő eszköz teljes felbontásának (pontosságának) töredéke (ebben az esetben kb. 20%) (3. ábra). Több választható mérési tartománnyal rendelkező adatgyűjtő eszköz használatával ez a probléma megoldható. A szokásos mérési tartományok a következők: ±10 V, ±5 V, ±1 V és ±0,2 V. A mérési tartománynak a mérendő jel értéktartományához illeszkedő beállítása pontosabb mérést eredményez.

3. ábra: Ha egy 3 bites felbontású és ±10 V mérési tartományú adatgyűjtő eszközt (piros vonalak a bal oldalon és sárga szaggatott vonalak a mérési tartomány tetején és alján) használunk egy ±2 V nagyságú jel (fehér szinuszhullám) mérésére, jelentősen csökken a mérési pontosság (kép: NI)

Mintavételi frekvencia, Nyquist-szabály és túlmintavételezés

A mintavételi frekvencia az a frekvencia, amelyet használva az analóg-digitális átalakító az analóg bemenőjelet digitális adatokká alakítja. A mintavételi frekvencia és a felbontás fordítottan viszonyul egymáshoz, mert nagyobb mintavételi frekvenciát gyakran csak a felbontás bitszámának csökkentésével lehet elérni, mivel a nagyobb mintavételi frekvencia kevesebb időt hagy az analóg-digitális átalakítónak a jel digitalizálására. Emiatt fontos a mintavételi frekvencia optimalizálása.

Itt látjuk hasznát a Nyquist-féle mintavételi szabálynak, amely kimondja, hogy legnagyobb jelfrekvencia kétszeresét meghaladó f_s mintavételi frekvencia az eredeti jel frekvenciájának pontos mérését eredményezi. Ezt a frekvenciát Nyquist-frekvenciának (f_N) nevezzük. Az eredeti jel alakjának és frekvenciájának pontos méréséhez a Nyquist-szabály szerint az f_s értéknek a legnagyobb jelfrekvencia 5–10-szeresének kell lennie. Az f_N-nél nagyobb mintavételi frekvenciát túlmintavételezésnek nevezzük.

Az f_N megértése mellett az f_s mintavételi frekvencia optimalizálásakor a jellépcsősödés és a szellemképek is olyan kihívást jelentenek, amelyekkel foglalkozni kell. A jellépcsősödés egy olyan hatás, amely torzítja a mintavételezett jel formáját, mert a mintavételi frekvencia túl kicsi a nagyfrekvenciájú jel alakjának pontos visszaadásához. A túlmintavételezéssel kiküszöbölhető a jellépcsősödés. A túlmintavételezés a hirtelen változó jelszélek, egyszeri események és tranziensek rögzítéséhez is hasznos. Ha azonban az f_s frekvencia túl nagy, akkor multiplexelt mintavételezés során a szellemképnek nevezett jelenség léphet fel.

Nagy multiplexelt mintavételi frekvenciákon lényegessé válik az egyes bemeneti csatornák beállási ideje. Szellemkép akkor jelenik meg, amikor a mintavételi frekvencia periódusideje meghaladja az adatgyűjtő eszköz beállási idejét. Ekkor a szomszédos csatornákon lévő jelek interferálnak, ami szellemképeket és pontatlan méréseket eredményez (4. ábra).

4. ábra: A bal oldalon a mintavételi frekvencia elég alacsony ahhoz, hogy a 0. (piros) és az 1. (kék) csatornán végzett mérések között megfelelő beállási időt lehessen elérni. A jobb oldalon azért keletkezik szellemkép, mert a mintavételi frekvencia túl magas, és a 0. csatorna befolyásolja az 1. csatorna mérésének eredményét (kép: NI)

A adatgyűjtő eszköz tényleges mintavételi frekvenciáját befolyásolja, hogy a tervező egyidejű vagy multiplexelt architektúrát választ-e. Az egyidejű mintavételezés bemeneti csatornánként egy analóg-digitális átalakítót használ, és a csatornák számától függetlenül minden csatornán a teljes mintavételi frekvenciát biztosítja (5. ábra).

Az egyidejű mintavételezés lehetővé teszi több jel egyidejű mintavételezését. Az egyidejű mintavételezési architektúra viszonylag drága, és több alkatrészt tartalmaz, ami korlátozhatja az egyetlen adatgyűjtő eszközben rendelkezésre álló csatornák számát. A multiplexelt architektúrában az összes csatorna közösen használ egy analóg-digitális átalakítót egy multiplexer (mux) segítségével, ami csökkenti az egyes csatornákhoz használható legnagyobb mintavételi frekvenciát. A mintavételezés egymás utáni sorrendben történik, némi késleltetéssel az egyes csatornák között. A multiplexelt architektúrák olcsóbbak, és nagyobb csatornasűrűségű adatgyűjtő eszközöket lehet velük létrehozni.

5. ábra: Az egyidejű mintavételezés a teljes mintavételi frekvenciát biztosítja minden csatornán, míg a multiplexelt mintavételezés esetében a teljes mintavételi frekvencia megoszlik az összes csatorna között, ami csatornánként kisebb mintavételi frekvenciát eredményez (kép: NI)

Kisméretű adatgyűjtő rendszer építése

Az adatgyűjtő rendszer megalkotásának első lépése a CompactDAQ alapeszköz kiválasztása. Az alapeszközök különböző kommunikációs sínekkel, többek között PCI- és PCI Express (PCIe)-, nagy sebességű USB-, PXI-, PXI Express (PXIe)- és Ethernet 2.0-csatlakozással, valamint 1–14 bővítőhellyel kaphatóak az NI cég C sorozatú be- és kimeneti (I/O-) moduljaihoz. A 781156-01 jelű alapeszköz például nyolc bővítőhellyel és USB 2.0 illesztőfelülettel rendelkezik (6. ábra). A rendszer modulok egyszerű bedugása útján bővíthető további mérési típusokkal és csatornákkal. A rendszer minden modult automatikusan felismer, és szinkronizál az alapeszköz hátlapján lévő órával.

6. ábra: A 781156-01 jelű CompactDAQ alapeszköz nyolc bővítőhellyel és nagy sebességű USB 2.0 illesztőfelülettel rendelkezik (kép: NI)

A kommunikációs sín az alapeszköz kialakításának fontos része (1. táblázat). Az USB által biztosított 60 Mb/s átviteli sebesség a felhasználások többségéhez elegendő, és az USB-nek jó a rugalmassága és a hordozhatósága. Az Ethernet hosszabb kábeleket és elosztott adatgyűjtő rendszereket tesz lehetővé a fizikailag nagy területen elosztott felhasználási módok esetén. A PCI és PCIe sínek módot adnak az eszközök asztali számítógéphez csatlakoztatására adatnaplózás és -elemzés céljából. A PXI és PXIe sínek a PCI és PCIe sínekhez hasonlóak, de kiváló szinkronizálási képességeket kínálnak, lehetővé téve nagy mennyiségű adat egyesítését és összehasonlítását.

1. táblázat: Az adatgyűjtő eszközhöz használható kommunikációs sínek választéka az alapeszköz kiválasztásának fontos része. A sínnek képesnek kell lennie a szükséges adatátviteli sebességre, lehetővé kell tennie a szükséges távolságokat, és meg kell felelnie a hordozhatósági igényeknek (kép: NI)

Az alapeszköz kiválasztása után a tervezők több mint 60 hozzá való C sorozatú modul közül választhatnak a mérési, vezérlési és kommunikációs célú készülékekhez megfelelőt. A C sorozatú modulok gyakorlatilag bármilyen érzékelőhöz vagy sínhez csatlakoztathatóak, és nagy pontosságú méréseket tesznek lehetővé, amelyek megfelelnek az adatgyűjtő és vezérlőeszközök követelményeinek (7. ábra). Ezek a kikapcsolás nélkül cserélhető modulok mérésspecifikus jelformálást kínálnak a zajszűréshez és az adatok elkülönítéséhez, valamint analóg-digitális átalakítást és számos bemeneti csatlakozót.

7. ábra: A C sorozatú modulok egységes méretűek, bármely CompactDAQ alapeszközhöz kikapcsolás nélkül csatlakoztathatóak, és a különböző felhasználási területek igényeinek megfelelően többféle bemeneti csatlakozóval kaphatóak (kép: NI)

A C sorozatú modulok számos adatgyűjtési és vezérlési funkcióhoz használhatók, többek között a következőkhöz:

• Az analóg bemeneti modulok maximum 16 csatornával rendelkeznek, amelyekhez a villamos feszültség, az áram, valamint a hőmérséklet, a hangerő, a mechanikai feszültség, a nyomás, a terhelés, a rezgés és sok egyéb jellemző mérésére szolgáló általános érzékelők csatlakoztathatók.
  • Az NI 9239 egy négycsatornás általános célú analóg bemeneti modul. Mindegyik csatorna ±10 V mérési tartományt kínál 24 bit felbontással és a legnagyobb mintavételi frekvenciát használva 50 ezer mintavétel/másodperc (kS/s) kimeneti adatsűrűséggel.
• Az analóg kimeneti modulok 2, 4 és 16 csatornával kaphatóak, és feszültségjelek előállítására és áramvezérelt ipari működtetőegységek vezérlésére használhatóak.
  • Az NI 9263 egy négycsatornás analóg kimeneti modul, amely a National Institute of Standards and Testing (NIST, Nemzeti Szabványügyi és Ellenőrzési Intézet) ellenőrizhető kalibrációjával, valamint túlfeszültség- és rövidzárvédelemmel, gyors felfutási sebességgel és nagy pontossággal rendelkezik.
• A digitális bemeneti és kimeneti modulok digitális jelek előállítására és olvasására használhatóak. A digitális bemeneti modulok 4, 6, 8, 16 vagy 32 csatornával, a kimeneti és kétirányú modulok 8, 16 vagy 32 csatornával kaphatóak.
  • Az NI 9423 egy nyolccsatornás digitális bemeneti modul, amely 24 V-os jelekkel használható, és úgy tervezték, hogy ipari logikai szintekkel és jelekkel működjön, így közvetlenül csatlakoztatható sokféle ipari kapcsolóhoz, jelátalakítóhoz, érzékelőhöz és egyéb eszközhöz.
  • Az NI 9472 egy nyolccsatornás digitális kimeneti modul, amely 6–30 V-os jelekkel használható, és közvetlenül csatlakoztatható számos ipari eszközhöz, például működtetőegységekhez, relékhez és villanymotorokhoz.

Szoftver-összeépítés

A kisméretű adatgyűjtő rendszerek létrehozásának utolsó lépése a szoftver kiválasztása. Az NI-DAQmx alkalmazásprogramozási illesztőfelület (API) közvetlenül használható számos fejlesztési lehetőséggel, többek között a LabVIEW termékkel és a C, a C# és a Python nyelvvel. Az API támogatja az összes NI adatgyűjtő eszköz problémamentes működését, és minimálisra csökkenti a hardver-továbbfejlesztések és -változtatások miatti újratervezési tennivalókat, valamint az készülékfejlesztés gyors beindítása érdekében hozzáférést biztosít a dokumentációhoz, a súgófájlokhoz és számos futtatásra kész mintaszoftverhez.

A fejlesztők kiválaszthatják az egyes projektekhez szükséges programozási szintet (8. ábra). A FlexLogger adatnaplózó szoftver logikusan használható, érzékelőközpontú beállítási fejlesztőkörnyezetet kínál, amely egyéni elemzés céljából összeépíthető az NI cég LabVIEW programjával. A LabVIEW használata lehetőséget teremt a hardver párbeszédes elemzőpanelek vagy egy teljes funkcionalitású programozási környezet segítségével történő beállítására. A tapasztaltabb fejlesztők a legtöbb programozási nyelv segítségével közvetlenül kapcsolódhatnak a DAQmx API-hoz a testreszabás és a nagyobb teljesítmény érdekében.

8. ábra: Az adatgyűjtő szoftver kiválasztásának folyamatábrája megmutatja, hogy a fejlesztők hogyan választhatják ki az egyes projektekhez használni kívánt programozási szintet (kép: NI)

Összegzés

Az adatgyűjtő eszközök tervezése a nulláról indulva összetett feladat lehet. Az érzékelőknek, a jelformálásnak, a jelfeldolgozásnak, a be- és kimeneteknek és a szoftvernek meg kell felelniük az elvégzendő feladatnak, miközben lehetővé kell tenniük a későbbi módosításokat és továbbfejlesztéseket. Az elemek összefércelgetése helyett a fejlesztők a modulrendszerű megközelítéssel gyorsan és hatékonyan tervezhetnek a felhasználási követelmények változása esetén később gond nélkül cserélhető érzékelőket, hardvert és szoftvert tartalmazó kisméretű adatgyűjtő rendszereket.

Ezenkívül az ebben a cikkben bemutatott módszer lehetővé teszi különböző kommunikációs sínek, többek közt a PCI és PCIe, a nagy sebességű USB, a PXI és PXIe, valamint az Ethernet 2.0 használatát, hogy a készülék megfeleljen az egyedi rendszerkövetelményeknek. Az eszköz kikapcsolás nélkül cserélhető modulokat használ, és mérésspecifikus jelformálást kínál a zajszűréshez és az adatok elkülönítéséhez, valamint analóg-digitális átalakítást és számos bemeneti csatlakozót. Emellett rugalmas, és összeépíthető különböző mérőszoftverekkel, valamint használható többek közt a LabVIEW termékkel és a C, C# és Python nyelvvel is.

Ajánlott olvasnivaló

1. How to design general-purpose multichannel data acquisition system (Általános célú többcsatornás adatgyűjtő rendszerek tervezése)