Toolbox™ сбора данных с технической вычислительной средой MATLAB ® позволяет создавать и измерять данные. и анализировать физические явления. Целью любой системы сбора данных является предоставление инструментов и ресурсов для этого.
Вы можете представить себе систему сбора данных как совокупность программного и аппаратного обеспечения, которая соединяет вашу программу с физическим миром. Типичная система сбора данных состоит из следующих компонентов:
| Компоненты | Описание |
|---|---|
Аппаратные средства сбора данных | В основе любой системы сбора данных лежит аппаратное обеспечение сбора данных. Основная функция этого аппаратного обеспечения состоит в преобразовании аналоговых сигналов в цифровые сигналы и преобразовании цифровых сигналов в аналоговые сигналы. |
Датчики и исполнительные механизмы являются типами датчиков. Преобразователь представляет собой устройство, преобразующее входную энергию одной формы в выходную энергию другой формы. Например, микрофон - это датчик, преобразующий энергию звука (в виде давления) в электрическую энергию, в то время как громкоговоритель - исполнительный механизм, преобразующий электрическую энергию в звуковую. | |
Оборудование для обработки сигналов | Сигналы датчиков часто несовместимы с аппаратными средствами сбора данных. Чтобы преодолеть эту несовместимость, сигнал должен быть кондиционирован. Например, может потребоваться настроить входной сигнал путем его усиления или удаления нежелательных частотных компонентов. Выходные сигналы также могут нуждаться в кондиционировании. |
Компьютер | Компьютер обеспечивает процессор, системные часы, шину для передачи данных, память и дисковое пространство для хранения данных. |
Программное обеспечение | Программное обеспечение сбора данных позволяет обмениваться информацией между компьютером и оборудованием. Например, типовое программное обеспечение позволяет настроить частоту дискретизации платы и получить заранее определенный объем данных. |
Следующая диаграмма иллюстрирует компоненты сбора данных и их взаимосвязи друг с другом.
На рисунке показаны две важные особенности системы сбора данных:
Сигналы вводятся в датчик, преобразуются в биты, которые компьютер может считывать, и анализируются для извлечения значимой информации.
Например, данные об уровне звука получают из микрофона, усиливают, оцифровывают звуковой картой и сохраняют в рабочем пространстве MATLAB для последующего анализа частотного содержания.
Данные из компьютера преобразуются в аналоговый сигнал и выводятся на исполнительный механизм.
Например, вектор данных в рабочем пространстве MATLAB преобразуется в аналоговый сигнал звуковой картой и выводится в громкоговоритель.
Оборудование для сбора данных является внутренним и устанавливается непосредственно в слот расширения внутри компьютера, либо внешним и подключено к компьютеру через внешний кабель, который обычно является USB-кабелем.
На простейшем уровне аппаратные средства сбора данных характеризуются составляющими их подсистемами. Подсистема - это компонент оборудования для сбора данных, выполняющий специализированную задачу. Общие подсистемы включают
Аналоговый вход
Аналоговый выход
Цифровой вход/выход
Счетчик/таймер
Аппаратные устройства, состоящие из нескольких подсистем, таких как показанная ниже, называются многофункциональными платами.
Аналоговые подсистемы ввода преобразуют реальные аналоговые входные сигналы от датчика в биты, которые могут считываться компьютером. Возможно, наиболее распространенные из всех подсистем, они обычно доступны в многоканальных устройствах с разрешением 12 или 16 бит.
Аналоговые подсистемы ввода также называются подсистемами AI, аналого-цифровыми преобразователями или АЦП.
Аналоговые подсистемы вывода преобразуют цифровые данные, хранящиеся на компьютере, в реальный аналоговый сигнал. Эти подсистемы выполняют обратное преобразование подсистем аналогового ввода. Типичные платы сбора данных предлагают два выходных канала с разрешением 12 бит, а также специальные аппаратные средства для поддержки операций аналогового вывода нескольких каналов.
Подсистемы аналогового выхода также называются подсистемами АО, цифроаналоговыми преобразователями или ЦАП.
Подсистемы цифрового ввода/вывода (DIO) предназначены для ввода и вывода цифровых значений (логических уровней) в аппаратные средства и из них. Эти значения обычно обрабатываются либо как одиночные биты или строки, либо как порт, который обычно состоит из восьми строк.
Хотя большинство популярных карт сбора данных имеют некоторую возможность цифрового ввода-вывода, она обычно ограничивается простыми операциями. Для выполнения расширенных операций цифрового ввода-вывода часто требуется специальное оборудование.
Подсистемы счетчика/таймера (C/T) используются для подсчета событий, измерения частоты и периода и формирования последовательности импульсов.
Датчик преобразует физические явления, представляющие интерес, в сигналы, которые поступают на аппаратные средства сбора данных. Существует два основных типа датчиков, основанных на выходах: цифровые датчики и аналоговые датчики.
Цифровые датчики формируют выходной сигнал, который является цифровым представлением входного сигнала и имеет дискретные значения величины, измеренные в дискретные моменты времени. Цифровой датчик должен выводить логические уровни, совместимые с цифровым приемником. Некоторые стандартные логические уровни включают транзисторно-транзисторную логику (TTL) и логику, связанную с эмиттером (ECL). Примеры цифровых датчиков включают переключатели и кодеры положения.
Аналоговые датчики вырабатывают выходной сигнал, который прямо пропорционален входному сигналу и является непрерывным как по величине, так и по времени. Большинство физических переменных, таких как температура, давление и ускорение, являются непрерывными по своей природе и легко измеряются аналоговым датчиком. Например, температура автомобильной системы охлаждения и ускорение, создаваемое ребенком на качелях, изменяются непрерывно.
Используемый датчик зависит от измеряемых явлений. Ниже перечислены некоторые общие аналоговые датчики и измеряемые ими физические переменные.
Обычные аналоговые датчики
Датчик | Физическая переменная |
|---|---|
Акселерометр | Ускорение |
Микрофон | Давление |
Манометр | Давление |
Резистивный температурный прибор (RTD) | Температура |
Тензометр | Сила |
Термопара | Температура |
При выборе наиболее подходящего аналогового датчика необходимо сопоставить характеристики измеряемой физической переменной с характеристиками датчика. Двумя наиболее важными характеристиками датчика являются:
Выходной сигнал датчика
Полоса пропускания датчика
Примечание
Термопары и акселерометры можно использовать без линейных преобразований.
Выходной сигнал датчика может быть аналоговым сигналом или цифровым сигналом, а выходной переменной обычно является напряжение, хотя некоторые датчики выводят ток.
Токовые сигналы. Ток часто используется для передачи сигналов в шумных средах, поскольку он гораздо меньше подвержен воздействию шума окружающей среды. Полный диапазон масштаба сигнала тока часто составляет либо 4-20 мА, либо 0-20 мА. Сигнал 4-20 мА имеет то преимущество, что даже при минимальном значении сигнала должен быть измеряемый ток. Отсутствие этого указывает на проблему с проводкой.
Сигналы напряжения. Наиболее часто сопряженным сигналом является сигнал напряжения. Например, термопары, тензометры и акселерометры вырабатывают сигналы напряжения. Существует три основных аспекта сигнала напряжения, которые необходимо учитывать:
Амплитуда
Если сигнал меньше нескольких милливольт, может понадобиться его усиление. Если он превышает максимальный диапазон аналогового входного оборудования (обычно ± 10 В), необходимо разделить сигнал вниз с помощью резисторной сети.
Амплитуда зависит от чувствительности (разрешения) оборудования. Дополнительные сведения об аппаратной чувствительности см. в разделе Точность и точность.
Частота
Каждый раз, когда вы получаете данные, вы должны выбрать максимальную частоту, которую вы хотите измерить.
Наивысшая частотная составляющая сигнала определяет частоту выборки входного сигнала. Если имеется несколько входов, но только одна аналоговая входная подсистема, то общая частота дискретизации увеличивается пропорционально количеству входов. Более высокие частоты могут присутствовать в виде шума, который можно удалить путем фильтрации сигнала до его оцифровки.
Если выполнить выборку входного сигнала, по крайней мере, в два раза быстрее самой высокой частотной составляющей, то этот сигнал будет однозначно охарактеризован. Однако эта скорость может не очень точно имитировать форму сигнала. Для быстро изменяющегося сигнала может потребоваться частота дискретизации, приблизительно в 10-20 раз превышающая максимальную частоту, чтобы получить точную картину формы сигнала. Для медленно изменяющихся сигналов необходимо учитывать только минимальное время для значительного изменения сигнала.
Частота зависит от полосы пропускания измерения. Полоса пропускания описана в разделе «Полоса пропускания датчика».
Продолжительность
Как долго вы хотите пробовать сигнал? Если данные хранятся в памяти или в файле диска, то длительность определяет требуемые ресурсы хранения. Формат сохраненных данных также влияет на необходимый объем памяти. Например, данные, хранящиеся в формате ASCII, занимают больше места, чем данные, хранящиеся в двоичном формате.
В реальном эксперименте по сбору данных измеряемые физические явления имеют ожидаемые пределы. Например, температура системы охлаждения автомобиля постоянно изменяется в диапазоне от нижнего предела до верхнего предела. Температурные ограничения, а также то, как быстро изменяется температура между пределами, зависят от нескольких факторов, включая ваши привычки вождения, погоду и состояние системы охлаждения. Ожидаемые пределы могут быть легко аппроксимированы, но существует бесконечное количество возможных температур, которые можно измерить в данный момент времени. Как объясняется в квантовании, эти неограниченные возможности отображаются на конечный набор значений аппаратными средствами сбора данных.
Ширина полосы задана диапазоном частот, присутствующих в измеряемом сигнале. Можно также считать, что полоса пропускания связана со скоростью изменения сигнала. Медленно изменяющийся сигнал имеет низкую ширину полосы пропускания, в то время как быстро изменяющийся сигнал имеет высокую ширину полосы пропускания. Для правильного измерения физических явлений, представляющих интерес, ширина полосы пропускания датчика должна быть совместима с шириной полосы пропускания измерения.
При проведении любых физических измерений можно использовать датчики с максимально широкой полосой пропускания. Это единственный способ гарантировать, что базовая измерительная система способна линейно реагировать на весь диапазон интересов. Тем не менее, чем шире пропускная способность датчика, тем больше вы должны заботиться об исключении отклика датчика на нежелательные частотные компоненты.
Сигналы датчиков часто несовместимы с аппаратными средствами сбора данных. Чтобы преодолеть эту несовместимость, сигнал датчика должен быть кондиционирован. Тип требуемой обработки сигнала зависит от используемого датчика. Например, сигнал может иметь малую амплитуду и требовать усиления, или он может содержать нежелательные частотные компоненты и требовать фильтрации. Общие способы получения сигналов состояния включают:
Увеличение
Фильтрация
Электрическая изоляция
Мультиплексирование
Источник возбуждения
Низкоуровневые - менее примерно 100 милливольт - обычно нуждаются в усилении. Сигналы высокого уровня также могут требовать усиления в зависимости от диапазона ввода подсистемы аналогового ввода.
Например, выходной сигнал термопары мал и должен быть усилен перед оцифровкой. Усиление сигнала позволяет уменьшить шум и использовать весь диапазон оборудования, тем самым повышая разрешающую способность измерения.
Фильтрация удаляет нежелательный шум из представляющего интерес сигнала. Фильтр шума используется для медленно изменяющихся сигналов, таких как температура, для ослабления сигналов более высокой частоты, что может снизить точность измерений.
Быстро изменяющиеся сигналы, такие как вибрация, часто требуют фильтра другого типа, известного как сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр удаляет нежелательные более высокие частоты, которые могут привести к ошибочным измерениям.
Если интересующий сигнал содержит высоковольтные переходные процессы, которые могут повредить компьютер, то сигналы датчиков должны быть электрически изолированы от компьютера в целях безопасности.
Можно также использовать электрическую изоляцию, чтобы убедиться, что на показания оборудования для сбора данных не влияют различия в потенциалах заземления. Например, когда каждое аппаратное устройство и сигнал датчика привязаны к отдельному заземлению, возникают проблемы, если существует разность потенциалов между двумя заземлениями. Эта разница может привести к образованию контура заземления, что может привести к ошибочным измерениям. Использование электрически изолированных модулей формирования сигналов устраняет заземляющий контур и обеспечивает точное представление сигналов.
Общей методикой измерения нескольких сигналов одним измерительным устройством является мультиплексирование.
Устройства формирования сигналов для аналоговых сигналов часто обеспечивают мультиплексирование для использования с медленно изменяющимися сигналами, такими как температура. Это дополнение к любому встроенному мультиплексированию на плате DAQ. Аналого-цифровой преобразователь выполняет выборку одного канала, переключается на следующий канал и выполняет выборку, переключается на следующий канал и т.д. Поскольку один и тот же АЦП выполняет выборку множества каналов, эффективная частота дискретизации каждого отдельного канала обратно пропорциональна количеству дискретизированных каналов.
При использовании мультиплексоров необходимо соблюдать осторожность, чтобы коммутируемый сигнал имел достаточно времени для настройки. Дополнительные сведения о времени установки см. в разделе Шум.
Для работы некоторых датчиков требуется источник возбуждения. Например, тензодатчики и резистивные температурные устройства (RTD) требуют внешнего напряжения или возбуждения током. Модули обработки сигналов для этих датчиков обычно обеспечивают необходимое возбуждение. Измерения RTD обычно производятся с помощью источника тока, который преобразует изменение сопротивления в измеряемое напряжение.
Компьютер обеспечивает процессор, системные часы, шину для передачи данных, память и дисковое пространство для хранения данных.
Процессор управляет скоростью приема данных преобразователем. Системный синхросигнал предоставляет временную информацию о полученных данных. Как правило, недостаточно знать, что вы записали показания датчика. Также может потребоваться знать, когда это измерение произошло.
Данные передаются из аппаратных средств в системную память через динамический доступ к памяти (DMA) или прерывания. Управление DMA осуществляется аппаратно и, следовательно, чрезвычайно быстро. Прерывания могут быть медленными из-за времени задержки между тем, когда плата запрашивает прерывание обслуживания, и тем, когда компьютер отвечает. Максимальная частота обнаружения также определяется архитектурой шины компьютера. См. раздел Как синхронизированы полученные образцы? для получения дополнительной информации о DMA и прерываниях.
Независимо от используемого оборудования, необходимо отправить информацию на оборудование и получить информацию от оборудования. Вы отправляете информацию о конфигурации на оборудование, такую как частота дискретизации, и получаете информацию от оборудования, такую как данные, сообщения о состоянии и сообщения об ошибках. Кроме того, может потребоваться предоставить аппаратным средствам информацию, позволяющую интегрировать их с другими аппаратными средствами и компьютерными ресурсами. Такой обмен информацией осуществляется с помощью программного обеспечения.
Существует два вида программного обеспечения:
Программное обеспечение драйвера
Прикладное программное обеспечение
Например, предположим, что используется программное обеспечение Data Acquisition Toolbox с платой National Instruments ® и связанным с ней драйвером. На следующей схеме показана взаимосвязь между вами, драйвером и приложением.
На схеме показана подача информации на оборудование и получение информации от оборудования.
Для устройства сбора данных необходимо использовать соответствующее программное обеспечение драйвера. Программное обеспечение драйвера позволяет получить доступ к оборудованию и управлять им. Помимо прочего, базовое программное обеспечение драйвера позволяет
Передача данных на плату и из платы
Управление скоростью получения данных
Интеграция оборудования для сбора данных с такими компьютерными ресурсами, как прерывания процессора, DMA и память
Интеграция оборудования для сбора данных с оборудованием для обработки сигналов
Доступ к нескольким подсистемам на данной плате сбора данных
Доступ к нескольким платам сбора данных
Прикладное программное обеспечение обеспечивает удобный интерфейс для программного обеспечения драйвера. Базовое прикладное программное обеспечение позволяет
Предоставление соответствующей информации, например, о количестве полученных образцов
Генерировать события
Управление данными, хранящимися в памяти компьютера
Состояние сигнала
Построить график полученных данных
MATLAB и программное обеспечение Data Acquisition Toolbox предоставляют эти возможности и инструменты, позволяющие выполнять анализ данных.