כיצד לבנות מערכת איסוף נתונים קומפקטית

איסוף נתונים (DAQ) היא פונקציה מרכזית במגוון של פעילויות מחקר והנדסה, החל מתיקוף ואימות תכנים ועד בדיקות חיים מואצות וייצור, בין היתר. בעוד שמרכיבי המפתח של מערכת DAQ הם פשוטים יחסית - חיישנים, חומרת מדידה ותוכנה, משם הדברים יכולים להסתבך.

המערכת עשויה להידרש למדוד מגוון רחב של תופעות פיזיקליות, ולכן היא צריכה להיות גמישה וניתנת להרחבה אך במקביל להיות עמידה ואמינה, והעלות תמיד מהווה פקטור. כתוצאה מכך, הגדרת ובניית מערכת DAQ הן מורכבות. אם למערכת יש מפרט-יתר, היא תהיה יקרה ועלולה להיות מסורבלת לשימוש. אם למערכת יש תת-מפרט, היא לא תתאים למשימות הנוכחיות והעתידיות. כדי לפתור את הדילמה, המתכננים יכולים לנקוט בגישה מודולרית שמתחילה במארז עמיד עם ביצועים עיליים עם מספר חריצים עבור ביצועי עיבוד, מאפיינים ואפשרויות חיבוריות נוספים העשויים להידרש לאורך הזמן.

מאמר זה סוקר את מדדי הביצועים של מערכות DAQ שאלו המגדירים את המפרט שלהן צריכים להיות מודעים אליהם, כולל דיגיטציה של אותות אנלוגיים, משפט הדגימה של Nyquist ו- Aliasing, תחומי הכניסה, קצבי הדגימה, ודגימה מרובבת לעומת סימולטנית. לאחר מכן הוא מציג גישה מודולרית המבוססת על מארז CompactDAQ‏, מודולי I/O אנלוגיים ודיגיטליים ורכיבי תוכנה של National Instruments, כולל אפשרויות בחירה של סביבת פיתוח, מנהלי-התקנים וכלי ניתוח/דיווח.

דרישות ומדדי הביצועים של מערכת DAQ

כאמור, DAQ ברמה בסיסית כולל חיישנים, אכשור אותות, ממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs), מעבדים ותוכנות קשורות (איור 1). המשימה של המתכננים היא להתאים את מרכיבי המערכת למה שנמדד ומנותח תוך שמירה על העלות ועל זמן ההגדרה.

איור 1: מערכות DAQ מורכבות מחיישנים, התקני מדידות DAQ המספקים אכשור אותות והמרת נתונים, ומשאבי מחשוב הכוללים מנהלי התקנים ותוכנות יישומים. (מקור התמונה: NI)

כדי להתאים את האלמנטים, חשוב להבין שדיוק, אמפליטודות האותות ותדרי האותות הם הפרמטרים הבסיסיים של מערכת DAQ. אלה מתורגמים לרזולוציה, תחום וקצב המדידות, בהתאמה. ביישומים רבים, הרזולוציה היא השיקול החשוב ביותר. הרזולוציה מגדירה את מספר ערכי המדידה הזמינים. לדוגמה, התקן עם רזולוציה של ‎3-Bit‏ יכול למדוד 8 ערכים אפשריים (^3‏2), בעוד שהתקן עם רזולוציה של Bit‏-6‏ יכול למדוד 64 (^6‏2) ערכים אפשריים (איור 2). רזולוציה גבוהה יותר מתורגמת למדידות המשקפות בצורה מדויקת יותר את האות.

איור 2: דיוק בהתקן DAQ מתורגם לרזולוציה; התקן DAQ ברזולוציה של Bit‏-6‏ מספק פי 8 פרטים מכמות הפרטים (פי 8 מדויקים יותר) מהתקן ברזולוציה של ‎3-Bit‏. (מקור התמונה: NI)

ממיר ADC נתון יוגדר למדוד על פני תחום כניסה מוגדר כגון ±10 וולט, והרזולוציה של התקן ה-DAQ חלה על התחום הכולל. אם מתבצעת מדידה בתחום קטן יותר, למשל ±2 וולט, התוצאה היא מדידה עם רק חלק (במקרה זה, כ-20%) מהרזולוציה המוגדרת של התקן ה-DAQ (איור 3). שימוש בהתקן DAQ עם תחומי כניסה ניתנים-לבחירה יכול לטפל בבעיה זו. תחומי הכניסה הנפוצים כוללים ±10 וולט, ±5 וולט, ±1 וולט ו-±0.2 וולט. הגדלת תחום הכניסה כדי להתאים לתחום האותות מניבה מדידות איכותיות יותר.

איור 3: שימוש בהתקן DAQ עם רזולוציה של ‎3-Bit‏ ותחום של ±10 וולט (קווים אדומים בצד שמאל וקווים מקווקוים צהובים בחלק העליון והתחתון של התחום, בהתאמה) למדידת אות של ±2 וולט (גל סינוס לבן) גורם לאיבוד דיוק משמעותי. (מקור התמונה: NI)

קצב דגימה, Nyquist ודגימת-יתר

קצב הדגימה הוא הקצב שבו ה-ADC ממיר את הכניסה האנלוגית לנתונים דיגיטליים. קצב הדגימה והרזולוציה יכולים להיות בקורלציה הפוכה. קצבי דגימה גבוהים יותר אפשריים לעתים קרובות רק על ידי הפחתת מספר הביטים של הרזולוציה מכיוון שקצב גבוה יותר מאפשר פחות זמן ל-ADC לבצע דיגיטציה של האות. כתוצאה מכך, חשוב למטב את קצב הדגימה.

משפט הדגימה של Nyquist עוזר כאן: הוא קובע שקצב הדגימה, _s‏f, העולה על פי שניים מתדר האות המקסימלי יביא למדידה מדויקת של התדר של האות המקורי. תדר זה נקרא תדר Nyquist‏, _N‏f. כדי למדוד במדויק את הצורה והתדר של האות המקורי, משפט Nyquist‏ דורש ש-_s‏f‏ יהיה פי 5 עד פי 10 מתדר האות המקסימלי. שימוש בקצב דגימה גבוה מ-_N‏f‏ נקרא דגימת-יתר.

בנוסף להבנת _N‏f‏, Aliasing ו- Ghosting‏ הם אתגרים שצריך להתמודד איתם בעת אופטימיזציה של _s‏f‏. Aliasing הוא אפקט הגורם לעיוות בספקטרום של אות שנדגם עקב קצב דגימה נמוך מדי כדי לקלוט במדויק תוכן בתדר גבוה. דגימת-יתר יכולה למנוע Aliasing. דגימת-יתר שימושית גם כדי לקלוט קצוות אות מהירים, אירועים חד-פעמיים וטרנזיינטים. עם זאת, אם _s‏f‏ גבוה מדי, תופעה הנקראת Ghosting יכולה להתרחש במהלך דגימה מרובבת.

בקצבי דגימה מרובבת גבוהים, זמן ההתייצבות של כל ערוץ כניסה הופך לגורם. Ghosting‏ מתרחש כאשר קצב הדגימה חורג מזמן ההתייצבות של התקן ה-DAQ. בשלב זה, אותות בערוצים סמוכים מפריעים, מה שמוביל ל- Ghosting‏ ולמדידות לא-מדויקות (איור 4).

איור 4: בצד שמאל, קצב הדגימה נמוך מספיק כדי לאפשר התאמה נכונה בין מדידות בערוצים 0 (אדום) ו-1 (כחול). בצד ימין, Ghosting‏ מתרחשת מכיוון שקצב הדגימה גבוה מדי, וערוץ 0 משפיע על המדידה בערוץ 1. (מקור התמונה: NI)

קצב הדגימה האפקטיבי של התקן DAQ מושפע מהבחירה של ארכיטקטורה סימולטנית או מרובבת. דגימה סימולטנית משתמשת בממיר ADC אחד לכל ערוץ כניסה ומספקת את קצב הדגימה המלא בכל הערוצים, ללא תלות במספר הערוצים (איור 5).

דגימה סימולטנית מאפשרת איסוף מספר דגימות בבת אחת. ארכיטקטורה סימולטנית היא יקרה יחסית וכוללת יותר רכיבים שיכולים להגביל את מספר הערוצים הזמינים בהתקן DAQ בודד. בארכיטקטורה מרובבת, מולטיפלקסר (mux) משמש לשיתוף ADC בודד בין כל הערוצים, תוך הפחתת הקצב המקסימלי הזמין לכל ערוץ. הדגימות נקלטות בטור עם שיהויים בין הערוצים. ארכיטקטורות מרובבות עולות פחות ויכולות להניב התקן DAQ עם צפיפות ערוצים גדולה יותר.

איור 5: דגימה סימולטנית מספקת את קצב הנתונים המלא בכל הערוצים, בעוד שבדגימה מרובבת, קצב הדגימה המלא מתחלק בין כל הערוצים, וכתוצאה מכך קצב נמוך יותר לכל ערוץ. (מקור התמונה: NI)

בניית מערכת DAC קומפקטית

השלב הראשון בבניית מערכת DAC הוא בחירת מארז CompactDAQ. המארזים זמינים עם אפיקי תקשורת שונים, כולל PCI ו- PCI Express‏ (PCIe‏), USB‏ במהירות גבוהה, PXI ו- PXI Express‏ (PXIe‏), ו- Ethernet 2.0‏, עם 1 עד 14 חריצים עבור מודולי I/O‏ סדרת C‏ מבית NI‏. לדוגמה, ל-781156-01 יש שמונה חריצים וממשק USB 2.0 (איור 6). ניתן להוסיף למערכת סוגי מדידה וערוצים נוספים פשוט על ידי חיבור מודולים. כל המודולים מזוהים באופן אוטומטי ומסונכרנים עם השעון בלוח-האם האחורי של המארז.

איור 6: למארז 781156-01 CompactDAQ יש שמונה חריצים וממשק USB 2.0 High Speed. (מקור התמונה: NI)

אפיק התקשורת הוא חלק חשוב במפרט המארז (טבלה 1). ה-60 מגה-ביט לשנייה (Mbits/s) המועברים באמצעות USB מתאימים עבור מרבית היישומים, ול-USB יש גמישות ונישאות טובות. ה- Ethernet‏ יכול לתמוך במרחקי כבלים ארוכים יותר ובמערכות DAQ מבוזרות ביישומים גדולים פיזית. אפיקי PCI ו-PCIe מאפשרים לחבר התקנים למחשב שולחני לצורך רישום וניתוח נתונים. אפיקי PXI ו-PXIe דומים ל-PCI ו-PCIe, אך מציעים יכולות סנכרון מעולות, המאפשרות איחוד והשוואה של כמויות גדולות של נתונים.

טבלה 1: בחירת אפיקי תקשורת DAQ היא חלק חשוב בבחירת המארז. יש להתאים את האפיק לקצבי העברת הנתונים הדרושים, למרחקים ולצורך בנישאות. (מקור התמונה: NI)

לאחר בחירת המארז, המתכננים יכולים לבחור מתוך למעלה מ-60 מודולים מסדרת C עבור יישומי מדידה, בקרה ותקשורת. קיימים מודולים מסדרת C שיכולים להתחבר למעשה לכל חיישן או אפיק ולאפשר מדידות בדיוק גבוה העונות על הדרישות של יישומי DAQ ובקרה (איור 7). המודולים הניתנים להחלפה חמה מספקים אכשור אותות ספציפי למדידה לסינון רעשים ולבידוד נתונים, המרה אנלוגית לדיגיטלית, ובנוסף מגוון של מחברי כניסה.

איור 7: המודולים מסדרת C הם בעלי גורם צורה נפוץ, ניתנים לחיבור חם לכל מארז CompactDAQ, וזמינים עם מגוון מחברי כניסה כדי להתאים לצרכים של יישומים מגוונים. (מקור התמונה: NI)

המודולים מסדרת C יכולים לשמש עבור פונקציות DAQ ובקרה רבות, כולל:

• מודולי כניסה אנלוגיים כוללים עד 16 ערוצים עבור חיבוריות עם חיישני מתח, זרם וחיישנים נפוצים אחרים למדידת טמפרטורה, קול, מתח, לחץ, עומס, רעידות ועוד.
  • ה- NI 9239 הוא מודול כניסה אנלוגי בעל ארבעה ערוצים לשימוש כללי. כל ערוץ מספק תחום מדידה של ±10 וולט ברזולוציה של ‎24-Bit‏ ומוציא 50 קילו-דגימות לשנייה (kS/s) של נתונים בקצב הדגימה המקסימלי שלו.
• מודולי יציאה אנלוגית זמינים עם 2, 4 ו-16 ערוצים וניתן להשתמש בהם להפקת אותות מתח ולבקרת מפעילים (Actuators‏) מונעי-זרם תעשייתיים.
  • ה- NI 9263 הוא מודול יציאה אנלוגית בעל ארבעה ערוצים הכולל כיול בר-עקיבה של המכון הלאומי לתקנים ובדיקות (NIST), ובנוסף הגנת מתח-יתר, הגנה מפני קצר , קצב שינוי (Slew Rate‏) מהיר ודיוק גבוה.
• מודולי כניסה ויציאה דיגיטלית יכולים לשמש עבור יצירה וקריאה של אותות דיגיטליים. מודולי כניסה דיגיטלית זמינים עם 4, 6, 8, 16 ו-32 ערוצים, מודולי יציאה ודו-כיווניים מוצעים עם 8, 16 ו-32 ערוצים.
  • ה- NI 9423 הוא מודול כניסה דיגיטלית בעל שמונה ערוצים התואם לאותות 24 וולט ומתוכנן לעבוד עם רמות לוגיקה ואותות תעשייתיים עבור חיבור ישיר למערך של מתגים תעשייתיים, מתמרים, חיישנים והתקנים אחרים.
  • ה- NI 9472 הוא מודול יציאה דיגיטלית בעל שמונה ערוצים התואם לאותות של 6 עד 30 וולט ויכול להתחבר ישירות למגוון של התקנים תעשייתיים כגון מפעילים, ממסרים ומנועים.

שילוב התוכנה

השלב האחרון בבניית מערכת DAQ קומפקטית הוא התוכנה. ממשק תכנות יישומים (API‏) NI-DAQmx עובד ישירות עם מגוון של אפשרויות פיתוח כולל LabVIEW‏, C‏, #C‏ ו- Python‏. ה-API תומך בפעולה חלקה בכל התקני DAQ מבית NI‏ ומקטין למינימום את מאמצי הפיתוח הנובעים משדרוגי חומרה או שינויים, וכולל גישה לתיעוד, קובצי עזרה ודוגמאות תוכנה רבות מוכנות-להפעלה כדי להתניע פיתוח יישומים.

המפתחים יכולים להגדיר את רמת התכנות הדרושה עבור כל פרויקט (איור 8). תוכנת רישום נתונים FlexLogger‏ מספקת סביבת פיתוח תצורה אינטואיטיבית ממוקדת-חיישנים היכולה להשתלב עם LabVIEW של NI עבור ניתוח מותאם-במיוחד. השימוש ב- LabVIEW תומך באפשרות של הגדרת חומרה באמצעות פאנלי ניתוח אינטראקטיביים, או בסביבת תכנות עם מלוא-המאפיינים. מפתחים מתקדמים יכולים להשתמש ברוב שפות התכנות כדי להתממשק ישירות עם ה-API של DAQmx עבור התאמה-מיוחדת וביצועים.

איור 8: תרשים זרימה של בחירת תוכנת DAQ מראה כיצד המפתחים יכולים להגדיר את רמת התכנות שהם רוצים לבצע עבור כל פרויקט. (מקור התמונה: NI)

סיכום

תכנון DAQ יכול להיות משימה מורכבת אם מתחילים מאפס. חיישנים, אכשור אותות, עיבוד, כניסה/יציאה ותוכנה חייבים לעמוד במשימה שעל הפרק תוך אפשור שינויים ושדרוגים לאורך הזמן. במקום לחבר את האלמנטים יחדיו, המפתחים יכולים לנקוט בגישה מודולרית לתכנון מהיר ויעיל של מערכת DAQ קומפקטית הכוללת חיישנים, חומרה ותוכנה, שאת כולם ניתן להחליף לאורך הזמן ככל שדרישות היישום משתנות.

בנוסף, הגישה המוצגת במאמר זה תומכת באפיקי תקשורת שונים, כולל PCI ו-PCIe, High-Speed USB, PXI ו-PXIe, ו-Ethernet 2.0 כדי לעמוד בדרישות מערכת ספציפיות. היא משתמשת במודולים הניתנים להחלפה חמה כדי לספק אכשור אותות ספציפי-למדידה כדי לסנן רעשים ולבודד נתונים, ובנוסף המרת אנלוגי-לדיגיטלי ומבחר סגנונות מחברי כניסה. היא גם גמישה ומאפשרת שילוב עם תוכנות מדידה שונות כולל LabVIEW‏, C‏, #C‏ ו- Python‏.

קריאה מומלצת

1. כיצד לתכנן מערכת איסוף נתונים רבת-ערוצים לשימוש כללי