1. Общие сведения о daq системах

В настоящей лекции рассматриваются основы сбора данных (DAQ).

Темы

1. Общие сведения о DAQ системах

2. Датчики

3. Сигналы

4. Технические средства DAQ устройств

5. Преобразование (согласование) сигналов

6. Программное обеспечение DAQ систем

A. Общие сведения о DAQ системах

Сбор данных – это автоматическое получение информации от датчиков, приборов и устройств на производстве, в лаборатории или в полевых условиях. Назначение системы сбора данных - измерение физической величины, например, света, температуры, давления или звука. Система сбора данных включает следующие блоки:

• Датчик/сигнал

• Технические средства DAQ устройств

• Устройства согласования сигналов

• Программное обеспечение сбора данных

Рисунок 1-1. Обобщенная структура DAQ системы

Sensor or signal – датчик или сигнал, I/O – ввод-вывод, Signal Conditioning – согласование сигналов, DAQ Hardware – аппаратные средства (оборудование) сбора данных, Bus - шина, DAQ Software – программное обеспечение сбора данных.

При помощи этих блоков вы можете ввести значение измеряемой физической величины в компьютер для обработки и представления.

B. Датчики

Измерение сигнала – процесс преобразования физической величины в данные, которые может обрабатывать компьютер. Измерение начинается с датчика, также называемого измерительным преобразователем, который преобразует физическую величину в электрический сигнал, измеряемый системой сбора данных. Датчики могут генерировать электрические сигналы для измерения таких параметров, как, например, температура, сила, положение, параметры звука или света. В таблице 1-1 перечислены некоторые наиболее распространенные типы датчиков.

Таблица 1-1. Распространенные типы измерений и датчиков

Физическая величина	Датчики
Температура	Термопары Термосопротивления Термисторы Датчики с интегральными схемами
Свет	Электровакуумные фотодатчики Фоторезисторы
Звук	Микрофоны
Сила и давление	Тензодатчики Пьезоэлектрические преобразователи Датчики нагрузки
Положение (перемещение)	Потенциометры Линейные дифференциальные трансформаторы Оптические энкодеры
Поток жидкости	Манометры-расходомеры Крыльчатые расходомеры Ультразвуковые раходомеры
pH	pH-электроды

Типы датчиков

Датчики используются для различных целей, например, для измерения температуры, давления или расхода жидкости. Обратитесь на сайт ni.com/sensors для получения дополнительной информации о датчиках и местах, где их можно приобрести.

Разные датчик имеют различные требования по преобразованию физической величины в измеряемый сигнал. Например, терморезистору (RTD) требуется ток возбуждения для измерения температуры. Термопаре не требуется ток возбуждения, но зато требуется компенсация холодного спая. В тензодатчиках для измерения деформации используется конфигурация резисторов под названием мост Уитстона. Прежде чем разрабатывать систему, вы должны ознакомиться со специальными требованиями к датчикам. Обратитесь к поставщику датчиков для получения информации о правильном его использовании.

C. Сигналы

Датчик преобразует физическую величину в сигнал, который можно измерить. Однако бывает, что вам нужно получить сигналы напряжения, которые датчиком не формируются.

Не все сигналы измеряются одинаковым способом. Сначала вы должны определить, является ли сигнал цифровым или аналоговым.

После этого определите, какую информацию вы хотите получить из сигнала. Возможные виды информации – состояние, уровень, форма и частота, как показано на рисунке 1-2.

Рисунок 1-2. Информация о сигнале.

Your Signal - ваш сигнал, Analog - аналоговый, Level - уровень, Shape - форма, Frequency - частота, Digital - цифровой, Rate - частота.

Примечание: В данном руководстве предполагается, что вы измеряете сигналы. Однако многие положения применимы также и к генерации сигналов. Различие между измерением и генерацией сигналов в том, что вам не нужен анализ при генерации сигнала с определенной частотой.

Аналоговые сигналы

В отличие от цифровых сигналов, уровень напряжения аналогового сигнала в каждый момент времени может быть любым. Поскольку аналоговый сигнал в любой момент может находиться в любом состоянии, физические свойства аналогового сигнала, поддающиеся измерению, отличаются от свойств цифрового сигнала.

Информация в аналоговом сигнале

Вы можете измерить уровень, форму и частоту аналогового сигнала, как показано на рисунке 1-3.

Рисунок 1-3. Информация в аналоговом сигнале

Level - уровень, Shape - форма, Frequency – частота.

• Уровень – Измерение уровня аналогового сигнала аналогично оценке состояния цифрового сигнала. Различие в том, что уровень напряжения аналогового сигнала может быть любым, а цифровой сигнал имеет либо низкий, либо высокий уровень.

• Форма – Измерение формы сигнала часто важно, поскольку аналоговые сигналы могут находиться в любом состоянии в любой момент времени. Например, форма синусоиды отлична от формы пилообразного сигнала. Измерение формы сигнала позволяет затем выполнять анализ других аспектов сигнала, например, определять пиковые значения, скорость изменения или интегральные значения.

• Частота – измерение частоты аналогового сигнала аналогично измерению частоты цифрового сигнала. Однако вы не можете непосредственно измерить частоту аналогового сигнала. Вы должны выполнить программный анализ сигнала для извлечения информации о частоте. Обычно это выполняется при помощи преобразования Фурье.

Уровни большинства сигналов не сильно изменяются со временем. Однако обычно вам требуется измерить сигнал с высоким уровнем точности. Таким образом, вам нужно устройство сбора данных с высоким разрешением, но не с высокой частотой дискретизации.

Используя различные датчики, вы можете измерить напряжение источника питания, температуру в смесительном баке, давление в трубопроводе или нагрузку на деталь механизма, как показано на рисунке 1-4.

Рисунок 1-4. Примеры уровня

Level - уровень, Voltage - напряжение, Temperature - температура, Pressure - давление,

Load – нагрузка.

При измерении формы сигнала вы должны знать, как изменяется этот сигнал со временем. Некоторые сигналы изменяются с большой скоростью. В большинстве приложений, где требуется измерение формы сигнала, требуется также и высокая точность. Таким образом, вам нужно устройство сбора данных с высоким разрешением и высокой частотой дискретизации.

Примеры измерения формы сигнала часто встречаются в медицине, электронике и автомобильной промышленности, и варьируются от измерения пульсаций сердца и измерения видеосигнала, до измерения вибраций рессор. После измерения сигнала вы можете его проанализировать для извлечения необходимой вам информации о форме.

Например, при измерении кровяного давления вас интересует пиковое значение. Однако при оценке отклика RC-цепочки вас больше волнует изменение амплитуды со временем, как показано на рисунке 1-5.

Рисунок 1-5. Примеры измерения формы

Shape – форма, Arterial Blood Pressure – артериальное кровяное давление, RC Surcuit Response - реакция RC-цепочки

При измерении зависимости сигнала от времени вы используете программную обработку для преобразования сигнала из временной области в частотную. LabVIEW предоставляет необходимые для программного анализа средства, как показано на рисунке 1-6.

Рисунок 1-6. Примеры измерения частоты

Frequency – частота, Seismograph – сейсмограф, Sound – звук, Time Plot – временной график, Frequency Plot – частотный график.

Цифровые сигналы

У цифрового сигнала есть только два возможных состояния – ON (логический сигнал высокого уровня) или OFF (логический сигнал низкого уровня). Распространенный тип цифрового сигнала – сигнал ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Спецификации сигнала ТТЛ определяют уровень напряжения между 0 и 0.8 В, как низкий логический уровень, а уровень напряжения от 0 В до 5 В - как высокий логический уровень. Большинство цифровых устройств воспринимают ТТЛ-совместимый сигнал.

Информация в цифровом сигнале

Вы можете измерить только две характеристики цифрового сигнала: состояние и частоту.

• Состояние – у цифрового сигнала только два возможных состояния: ON (вкл.) или OFF (выкл.). Вы можете определить, во включенном или выключенном состоянии находится цифровой сигнал.

• Частота – цифровой сигнал изменяет свое состояние во времени. Вы можете измерить частоту сигнала, то есть, как его состояние изменяется во времени.

Пример измерения состояний цифрового сигнала приведен на рисунке 1-7.

Рисунок 1-7. Пример измерения состояния

Предположим, вы хотите наблюдать за состоянием выключателя. Выключатель включает или выключает лампочку. В примере на рисунке 1-7, когда выключатель разомкнут, вы измерите 0 В (ВЫКЛ). Когда выключатель замкнут, вы измеряете 5 В (ВКЛ). Измеряя состояние цифрового сигнала, вы можете определить, горит или не горит лампочка.

На рисунке 1-8 приведен пример измерения частоты цифрового сигнала.

Рисунок 1-8. Пример измерения частоты

Motor – двигатель, Quadrature Encoder – квадратурный энкодер, 24 pulses/rev – 24 импульса за оборот, Rate – частота.

Предположим, вы хотите измерить, насколько быстро вращается вал двигателя. Энкодер – это датчик, который может преобразовывать вращательное движение вала двигателя в цифровой сигнал. Когда энкодер вращается, он формирует два цифровых сигнала, каждый из которых - серия меняющихся состояний ВКЛ и ВЫКЛ, называемая последовательностью импульсов. На каждое приращение угла поворота вы получаете импульс. Это значение приращения зависит от энкодера. Например, энкодер терминального блока BNC-2120, используемого в этом курсе, выдает 96 импульсов за оборот. Вы можете измерить частоту одной последовательности импульсов для определения, насколько быстро вращается вал, либо измерить обе последовательности для определения не только частоты, но и направления вращения вала.

D. Оборудование DAQ

Назначение технических средств сбора данных – передача информации между датчиками или сигналами и ПО. Оборудование DAQ может измерять и генерировать аналоговые и цифровые сигналы. Сигналы между аппаратными средствами и программным обеспечением сбора данных передаются по шинам. Среди доступных шин PCI, PCI Express, PXI, PXI Express и USB.

E. Согласование сигналов

Не всегда можно непосредственно подключить сигнал к устройству сбора данных. Вам может понадобиться преобразовать сигнал, чтобы сделать его пригодным для измерения устройством сбора данных. Согласование сигналов – процесс преобразования сигналов для улучшения точности, изоляции, фильтрации и так далее. Преобразование сигналов требуется не всегда.

Цель преобразования сигналов – взять сигнал, который сложно измерить вашим DAQ-устройством, и изменить его так, чтобы упростить процесс измерения. Большинству датчиков для этого требуется внешние аппаратные средства. Например, терморезисторам требуется ток возбуждения, а тензодатчику – особая конфигурация резисторов, называемая мостом Уитстона. Для измерения сигналов с датчиков вы должны также преобразовать их в форму, которую может воспринимать DAQ-устройство. Например, выходное напряжение большинства термопар очень маленькое и восприимчиво к помехам. Поэтому необходимо усилить выходной сигнал термопары, прежде чем оцифровывать его. Усиление – один из видов согласования сигналов.

Иногда преобразование сигналов может происходить в самом датчике. Например, некоторые микрофоны и акселерометры содержат встроенный усилитель для формирования сигнала более высокого уровня. Согласование сигналов может также происходить на пути между датчиком или сигналом и оборудованием DAQ. Например, вы можете использовать внешние усилители и фильтры для уменьшения помех.

Согласование сигналов может также выполняться в оборудовании DAQ. Многие аппаратные устройства сбора данных компании National Instruments содержат встроенные средства согласования сигналов, например, усилители, мосты Уитстона для тензодатчиков, схемы компенсации холодного спая термопар, фильтры нижних частот и т.д.

Обратитесь на сайт ni.com/signalconditioning для получения дополнительной информации об оборудовании согласования сигналов National Instruments.

На рисунках 1-9 показаны распространенные типы датчиков и сигналов и преобразование, которое требуется каждому из них.

Рисунок 1-9. Распространенные типы датчиков и сигналов и их преобразования.

Sensors/Signals – датчики/сигналы, Signal Conditioning – согласование сигналов, Thermocouples – термопары, Amplification, Linearization, anв Cold-Junction Compensation – усиление, линеаризация, компенсация холодного спая, RTDs – терморезисторы, Current Excitation, Four-Wire and Three-Wire Configuration – ток возбуждения, трехпроводная и четырехпроводная схема подключения, Strain Gauges – тензодатчики, Voltage Excitation, Bridge Configuration, and Linearization – напряжение возбуждения, конфигурация моста и линеаризация, Common Mode or High Voltages – синфазное или высокое напряжение, Isolation Amplifiers (Optical Isolation) – развязывающие усилители (оптическая изоляция), Loads Requiring AC Switching or Large Current Flow – нагрузки, требующие переключения переменного тока или большого тока, Electromechanical Relays or Solid-State Relays – электромеханические или твердотельные реле, Signals with High Frequency Noise – сигналы с высокочастотными помехами, Lowpass Filters - фильтры нижних частот, DAQ device – DAQ-устройство

F. Программное обеспечение DAQ

После сбора данных при помощи оборудования DAQ часто вам требуется проделать с данными еще что-нибудь. Вы можете использовать программное обеспечение DAQ для генерации отчетов, обработки или манипуляций данными, анализа сигналов, записи данных в файл или базу данных и многого другого.

Выводы

DAQ-система состоит из следующих компонентов:

• Датчиков, преобразующих физическую величину в измеряемый сигнал

• Сигналов - цифровых или аналоговых. В зависимости от сигнала вы можете измерять его состояние, уровень, форму или частоту.

• Устройств согласования сигналов, упрощающих измерение сигналов DAQ-устройством

• Аппаратных средств DAQ

• Программного обеспечения DAQ

Самопроверка: короткий тест

1. Сопоставьте термины и определения:

Датчик	а. Упрощает измерение сигнала, который сложно измерить вашим DAQ-устройством
Устройство согласования сигналов	b. Передает сигнал в и из программы по шине
Оборудование DAQ	c. Работает с данными после того, как они собраны
Программное обеспечение DAQ	d. Преобразует физическую величину в электрический сигнал, который можно измерить

2. Перечислите 3 типа измерений, которые можно выполнять с аналоговыми сигналами

3. Перечислите 2 типа измерений, которые можно выполнять с цифровыми сигналами

Самопроверка: ответы

1. Сопоставьте термины и определения:

Датчик	d. Преобразует физическую величину в электрический сигнал, который можно измерить
Устройство согласования сигналов	а. Упрощает измерение сигнала, который сложно измерить вашим DAQ-устройством
Оборудование DAQ	b. Передает сигнал в и из программы по шине
Программное обеспечение DAQ	c. Работает с данными после того, как они собраны

2. Перечислите 3 типа измерений, которые можно выполнять с аналоговыми сигналами

• Уровень

• Форма

• Частота

3. Перечислите 2 типа измерений, которые можно выполнять с цифровыми сигналами

• Состояние

• Частота

Заметки

2