magyar elektronika

Hírlevél

Tájékozódjon legfrissebb cikkeinkről, híreinkről!

Valós email cím megadása kötelező

Invalid Input

Invalid Input

DigiKey lidAz adatgyűjtés (DAQ) a tervhitelesítéstől és tervellenőrzéstől 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 bonyolulttá válhatnak.

 

 

Elvárás lehet, hogy a rendszernek sokféle fizikai adatot kell mérnie, ezért rugalmasnak és méretezhetőnek kell lennie, ugyanakkor strapabírónak és megbízhatónak is, emellett a költség is mindig fontos 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 a 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, illetve az egyidejű mintavételt. Ezután bemutat egy modulrendszerű eszközt, amely a National Instruments’ CompactDAQ alapeszközén alapul, továbbá annak analóg és digitális be- és kimeneti (I/O) moduljait, valamint szoftverösszetevőit, beleértve a választható fejlesztési környezeteket, illesztő­programokat és elemző-, 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.

 

Figure 1

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, a jel amplitúdója és frekvenciája. Ezek határozzák meg a mérési felbontást, a mérési tartományt és a 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.

 

Figure 2

2. ábra Az adatgyűjtő eszköz pontossága a felbontástól függ. Egy 6 bites felbontású adatgyűjtő eszköz nyolcszor annyi különböző adat megjelenítésére alkalmas (és 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 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 bemeneti tartomány jeltartománynak megfelelő skálázása jobb minőségű mérést eredményez.

 

Figure 3

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) méréséhez, 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 a legnagyobb jelfrekvencia kétszeresét meghaladó fs mintavételi frekvencia az eredeti jel frekvenciájának pontos mérését eredményezi. Ezt a frekvenciát nevezzük Nyquist-frekvenciának (fN). Az eredeti jel alakjának és frekvenciájának pontos méréséhez a Nyquist-szabály szerint az fs értéknek a legnagyobb jelfrekvencia 5–10-szeresének kell lennie. Az fN-nél nagyobb mintavételi frekvenciát túlmintavételezésnek nevezzük.
Az fN megértése mellett az fs 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 fs 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).

 

Figure 4

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)

 


Az 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).

 

Figure 5

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)

 


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.

 

Kis méretű adatgyűjtő rendszer tervezése

Az adatgyűjtő rendszer megtervezésének 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 CompactDAQ alapeszköz (Digi-Key cikkszám: 2770-781156-01-ND) például nyolc bővítőhellyel és nagy sebességű USB 2.0 illesztőfelülettel rendelkezik (6. ábra). A rendszermodulok egyszerű bedugása útján bővíthető további mérési típusokkal és csatornákkal. A rendszer minden modult automatikusan felismer és szinkronizál az alapeszköz hátlapján lévő órával.

 

Figure 6

6. ábra A 781156-01 jelű CompactDAQ alapeszköz (Digi-Key cikkszám: 2770-781156-01-ND) 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 jó rugalmassággal és hordozhatósággal rendelkezik. Az Ethernet hosszabb kábeleket és elosztott adatgyűjtő rendszereket tesz lehetővé a fizikailag nagy helyen 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.

 

Table 1

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 csatlakoztathatók, 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.

 

Figure 7

7. ábra A C sorozatú modulok egységes méretűek, bármely CompactDAQ alapeszközbe kikapcsolás nélkül csatlakoztathatók, és a különböző felhasználási területek igényeinek megfelelően többféle bemeneti csatlakozóval kaphatók (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 alkalmazva 50 ezer mintavétel/másodperc (kS/s) kimeneti adatsűrűséggel.
  • Az analóg kimeneti modulok 2, 4 és 16 csatornával kaphatók, és feszültségjelek előállítására, továbbá áramvezérelt ipari működ­tetőegységek vezérlésére használhatók.
  • 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 be- és kimeneti modulok digitális jelek előállítására és olvasására használhatók. A digitális bemeneti modulok 4, 6, 8, 16 vagy 32 csatornával, a kimeneti és kétirányú modulok 8, 16 vagy 32 csatornával kaphatók.
  • 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 kis méretű 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 a zökkenőmentes működést az összes NI adatgyűjtő eszközön, és minimálisra csökkenti a hardver-továbbfejlesztések és -változtatások miatti újratervezési tennivalókat, valamint a 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 NXG párbeszédes elemzőpanelek által vagy teljes körű programozási környezet hasz­nálatát lehetővé téve támogatja a hardver egyedi összeállítását. A tapasztaltabb fejlesztők a legtöbb programozási nyelv segít­ségével közvetlenül kapcsolódhatnak a DAQmx API-hoz a testreszabás és a nagyobb teljesítmény érdekében.

 

Figure 8

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 feldolgozásnak, a be- és kimeneteknek és a szoftvernek meg kell felelnie 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 kis méretű 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

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

 

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics

 

Digi-Key Electronics
www.digikey.hu
Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: arkadiusz.rataj@digikey.com