數(shù)據(jù)采集 (DAQ)系統(tǒng)性能指標和模擬信號的數(shù)字化

　　從設(shè)計確認和驗證到加速壽命和生產(chǎn)測試，數(shù)據(jù)采集 （DAQ） 是各種研究和工程設(shè)計活動中的一項關(guān)鍵功能。雖然 DAQ 系統(tǒng)的關(guān)鍵元件很簡單：傳感器、測量硬件和軟件；但除此之外，事情可能變得相當復雜。

　　系統(tǒng)可能需要測量各種各樣的物理現(xiàn)象，因此必須非常靈活且可擴展，同時還要堅固、可靠，而且成本始終是一個考慮因素。因此，要指定 DAQ 系統(tǒng)規(guī)格并搭建系統(tǒng)，這一過程非常復雜。如果系統(tǒng)規(guī)格過高，成本就會很高，而且使用起來可能很麻煩。如果規(guī)格不足，則無法適應當前或未來的任務(wù)。為了解決這一難題，設(shè)計人員可以采取模塊化的方法，即先使用帶有多個插槽的高性能堅固機箱，然后隨著時間的推移，增加所需的處理性能、功能和連接選件。

　　本文將介紹規(guī)格設(shè)計人員需要了解的 DAQ 系統(tǒng)性能指標，包括模擬信號的數(shù)字化、奈奎斯特采樣定理和混疊、輸入范圍、采樣率，以及多路復用采樣與同步采樣。然后展示一種基于 National Instruments 的 CompactDAQ 機箱、模擬和數(shù)字 I/O 模塊及軟件組件（包括開發(fā)環(huán)境選項、驅(qū)動程序和分析/報告工具）的模塊化方法。

　　DAQ 的要求和性能指標

　　如前所述，一個基本的 DAQ 包括傳感器、信號調(diào)節(jié)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、處理器和相關(guān)的軟件（圖 1）。設(shè)計人員的任務(wù)是根據(jù)所測量和分析的內(nèi)容來匹配系統(tǒng)元素，同時控制成本和設(shè)置時間。

圖 1：DAQ 系統(tǒng)由傳感器、提供信號調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的 DAQ 測量設(shè)備以及包括驅(qū)動程序和應用軟件的計算資源組成。（圖片來源：NI）

　　為了匹配這些元素，需要認識到精度、信號幅度和信號頻率是 DAQ 系統(tǒng)的基本參數(shù)，這一點非常重要。這些參數(shù)分別轉(zhuǎn)換為測量分辨率、量程和速率。在許多應用中，分辨率是最重要的考慮因素。分辨率定義了可用測量值的數(shù)量。例如，具有 3 位分辨率的設(shè)備可以測量 8 （23） 個可能的值，而具有 6 位分辨率的設(shè)備可以測量 64 （26） 個可能的值（圖 2）。分辨率越高，轉(zhuǎn)換的測量值所反映的信號越精確。

圖 2：DAQ 設(shè)備的精度轉(zhuǎn)換為分辨率；具有 6 位分辨率的 DAQ 設(shè)備提供的信息量是具有 3 位分辨率的設(shè)備的 8 倍（8 倍精度）。（圖片來源：NI）

　　給定的 ADC 將被設(shè)置為在設(shè)定的輸入范圍（例如 ±10 伏）內(nèi)進行測量，并且 DAQ 設(shè)備的分辨率適用于總量程。如果在更小的范圍進行測量，例如 ±2 伏，得到的測量值分辨率將是指定的 DAQ 設(shè)備分辨率的一小部分（在本例中約為 20%）（圖 3）。使用具有可選擇輸入范圍的 DAQ 設(shè)備可以解決這個問題。常見的輸入范圍包括 ±10 伏、±5 伏、±1 伏和 ±0.2 伏。根據(jù)信號范圍調(diào)整輸入范圍，可以提高測量的質(zhì)量。

圖 3：使用具有 3 位分辨率、±10 伏量程的 DAQ 設(shè)備（分別對應左側(cè)的紅線以及量程頂部和底部的黃色虛線）來測量 ±2 伏的信號（白色正弦波），將會導致精度顯著下降。（圖片來源：NI）

　　采樣率、奈奎斯特和過采樣

　　采樣率是 ADC 將模擬輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)的速率。采樣率和分辨率可能是負相關(guān)的。通常只能通過降低分辨率的位數(shù)來提高采樣率，因為采樣率越高，ADC 可用于對信號進行數(shù)字化處理的時間就越少。因此，優(yōu)化采樣率非常重要。

　　這便是奈奎斯特采樣定理起作用的地方：它指出，當采樣率 fs 超過最大信號頻率的兩倍時，可以準確測量原始信號的頻率。該頻率被稱為奈奎斯特頻率 fN。為了準確測量原始信號的形狀和頻率，奈奎斯特定理要求 fs 為最大信號頻率的 5 到 10 倍。使用高于 fN 的采樣率稱為過采樣。

　　除了解 fN 之外，混疊和重影也是在優(yōu)化 fs 時需要應對的挑戰(zhàn)?；殳B是一種由于采樣率過低，無法準確捕捉高頻內(nèi)容而導致采樣信號頻譜出現(xiàn)失真的效應。過采樣可以消除混疊。過采樣對于捕捉快速信號邊沿、一次性事件和瞬態(tài)也很有用。但是，如果 fs 過高，在進行多路復用采樣期間會出現(xiàn)一種被稱為重影的現(xiàn)象。

　　在較高的多路復用采樣率下，需要考慮每個輸入通道的建立時間。當采樣率超過 DAQ 設(shè)備的建立時間時，就會出現(xiàn)重影。這時，相鄰通道的信號會發(fā)生干擾，導致重影和測量失準（圖 4）。

圖4：在左側(cè)，采樣率足夠低，通道 0（紅色）和 1（藍色）上的測量之間有適當?shù)慕r間。而在右側(cè)，由于采樣率過高，通道 0 影響了通道 1 上的測量，因而發(fā)生了重影。（圖片來源：NI）

　　DAQ 設(shè)備的有效采樣率受同步或多路復用架構(gòu)選擇的影響。同步采樣在每個輸入通道使用一個 ADC，并在所有通道上提供與通道數(shù)量無關(guān)的完全采樣率（圖 5）。

　　利用同步采樣可以一次采集多個樣本。同步架構(gòu)相對昂貴，涉及的元器件數(shù)量更多，可能會限制單個 DAQ 設(shè)備中可用的通道數(shù)量。而在多路復用架構(gòu)中，將使用一個多路復用器 （mux） 在所有通道之間共享一個 ADC，因而減小了每個通道可達到的最大速率。樣本按順序采集，且通道之間存在延遲。多路復用架構(gòu)的成本較低，并且可以使 DAQ 設(shè)備擁有更大的通道密度。

圖 5：同步采樣在所有通道上提供完全數(shù)據(jù)速率，而在多路復用采樣中，完全采樣速率由所有通道分享，導致每個通道的速率降低。（圖片來源：NI）

　　搭建緊湊型 DAC 系統(tǒng)

　　搭建 DAC 系統(tǒng)的第一步是選擇 CompactDAQ 機箱。機箱可提供各種通信總線，包括 PCI 和 PCI Express （PCIe）、高速 USB、PXI 和 PXI Express （PXIe）、以太網(wǎng) 2.0，以及用于 NI 的 C 系列 I/O 模塊的 1 到 14 個插槽。例如，781156-01 具有 8 個插槽和 1 個 USB 2.0 接口（圖 6）。只需插入模塊，就可以在系統(tǒng)中增加額外的測量類型和通道。系統(tǒng)會自動檢測所有模塊并與機箱背板上的時鐘進行同步。

　　通信總線是機箱規(guī)格的一個重要部分（表 1）。USB 提供的 60 Mbps 速率足以滿足大多數(shù)應用的需要，而且 USB 具有良好的靈活性和便攜性。以太網(wǎng)可用于實現(xiàn)規(guī)模較大的應用，能夠支持更遠的纜線距離和分布式 DAQ 系統(tǒng)。PCI 和 PCIe 總線允許將設(shè)備插入到臺式電腦中進行數(shù)據(jù)記錄和分析。PXI 和 PXIe 總線與 PCI 和 PCIe 相似，但具有超強的同步能力，能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進行整合和比較。

表 1：選擇 DAQ 通信總線是選擇機箱的一個重要部分?？偩€應與所需的數(shù)據(jù)傳輸率、距離和便攜性需求相匹配。（圖片來源：NI）

　　在選擇機箱之后，設(shè)計人員可以從 60 多個 C 系列模塊中選擇用于測量、控制和通信應用的模塊。C 系列模塊可以連接到幾乎所有的傳感器或總線，并可以進行高精度的測量，以滿足 DAQ 和控制應用的需求（圖 7）。這些熱插拔模塊提供了特定于測量的信號調(diào)節(jié)來濾除噪聲和隔離數(shù)據(jù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，以及各種輸入連接器。

圖 7：C 系列模塊具有通用的外形尺寸，可以在任何 CompactDAQ 機箱中熱插拔，并有多種輸入接口可供選擇，以滿足不同的應用需求。（圖片來源：NI）

　　C 系列模塊可用于許多 DAQ 和控制功能，包括：

　　模擬輸入模塊具有多達 16 個通道，用于連接電壓、電流和常用傳感器，以測量溫度、聲音、應變、壓力、負載和振動等。

　　NI 9239 是一款四通道通用型模擬輸入模塊。每個通道提供 ±10 伏的量程和 24 位分辨率，并以最大采樣率輸出 50 千樣本/秒 （kS/s） 的數(shù)據(jù)。

　　模擬輸出模塊提供 2、4 和 16 個通道，可用于生成電壓信號和控制電流驅(qū)動的工業(yè)致動器

　　NI 9263 是一款四通道模擬輸出模塊，具有美國國家標準技術(shù)研究院 （NIST） 可跟蹤校準，以及過壓保護、短路保護、快速壓擺率和高精度等功能特性。

　　數(shù)字輸入和輸出模塊可用于生成和讀取數(shù)字信號。數(shù)字輸入模塊具有 4、6、8、16 和 32 個通道，輸出和雙向模塊則具有 8、16 和 32 個通道。

　　NI 9423 是一款可兼容 24 伏信號的八通道數(shù)字輸入模塊，適合與工業(yè)邏輯電平和信號一起使用，直接連接到一系列工業(yè)開關(guān)、換能器、傳感器和其他設(shè)備。

　　NI 9472 是一款八通道數(shù)字輸出模塊，可兼容 6 至 30 伏信號，并可直接連接到各種工業(yè)設(shè)備，如致動器、繼電器和電機。

　　軟件集成

　　搭建緊湊型 DAQ 系統(tǒng)的最后一步是軟件。NI-DAQmx 應用編程接口 （API） 可直接與各種開發(fā)選項配合使用，包括 LabVIEW、C、C# 和 Python。該 API 可支持在所有 NI 的 DAQ 設(shè)備上無縫操作，最大限度減少了因硬件升級或變化而導致的重新開發(fā)工作，并且可訪問文檔、幫助文件和許多可隨時運行的軟件示例，加速應用開發(fā)。

　　開發(fā)人員可以調(diào)整每個項目所需的編程水平（圖 8）。FlexLogger 數(shù)據(jù)記錄軟件提供了一個直觀的、以傳感器為中心的配置開發(fā)環(huán)境，可與 NI 的 LabVIEW 集成以進行自定義分析。LabVIEW 支持使用交互式分析面板或全功能編程環(huán)境配置硬件。高級開發(fā)人員可以使用大多數(shù)編程語言直接與 DAQmx API 交互，以實現(xiàn)定制和更好的性能。

圖 8：DAQ 軟件選擇流程圖顯示了開發(fā)人員如何針對每個項目調(diào)整他們想要的編程水平。（圖片來源：NI）

　　結(jié)語

　　如果從頭開始設(shè)計 DAQ，這可能是一個非常復雜的任務(wù)。傳感器、信號調(diào)節(jié)、處理、I/O 和軟件，都必須滿足現(xiàn)有任務(wù)的要求，同時還能隨著時間的推移進行修改和升級。開發(fā)人員可以采取模塊化的方法，快速、高效地設(shè)計包括傳感器、硬件和軟件的緊湊型 DAQ 系統(tǒng)，所有這些元素都可以隨著時間的推移和應用要求的變化進行更換，而不是將它們簡單地拼接在一起。

　　此外，本文所示的方法支持各種通信總線，包括 PCI 和 PCIe、高速 USB、PXI 和 PXIe 以及以太網(wǎng) 2.0，可滿足特定的系統(tǒng)要求。該方法使用熱插拔模塊提供特定于測量的信號調(diào)節(jié)來濾除噪聲和隔離數(shù)據(jù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，并且可以選擇輸入連接器的樣式。它還非常靈活，可以與各種測量軟件集成，包括 LabVIEW、C、C# 和 Python。