Data Acquisition Toolbox™ MATLAB® техническое вычислительное окружение, даёт вам возможность генерировать, измерять. и анализ физических явлений. Цель любой системы сбора данных состоит в том, чтобы предоставить вам инструменты и ресурсы для этого.
Можно думать о системе сбора данных как о наборе программного и оборудования, которое соединяет вашу программу с физическим миром. Типичная система сбора данных состоит из следующих компонентов:
| Компоненты | Описание |
|---|---|
Data acquisition hardware | В основе любой системы сбора данных лежит оборудование сбора данных. Основной функцией этого оборудования является преобразование аналоговых сигналов в цифровые сигналы и преобразование цифровых сигналов в аналоговые сигналы. |
Датчики и приводы являются типами преобразователей. Преобразователь является устройством, которое преобразует входную энергию одной формы в выходную энергию другой формы. Например, микрофон является датчиком, который преобразует звуковую энергию (в виде давления) в электрическую энергию, в то время как громкоговоритель является приводом, который преобразует электрическую энергию в звуковую энергию. | |
Signal conditioning hardware | Сигналы датчика часто несовместимы с оборудованием сбора данных. Чтобы преодолеть эту несовместимость, сигнал должен быть обусловлен. Например, вам может потребоваться сконфигурировать входной сигнал путем его усиления или путем удаления нежелательных частотных составляющих. Выходные сигналы также могут потребоваться в кондиционировании. |
Computer | Компьютер предоставляет процессор, системные часы, шину для передачи данных и пространство памяти и диска для хранения данных. |
Software | Программное обеспечение для сбора данных позволяет вам обмениваться информацией между компьютером и оборудованием. Например, типовое программное обеспечение позволяет вам сконфигурировать частоту дискретизации вашей платы и получить предопределенный объем данных. |
Следующая схема иллюстрирует компоненты сбора данных и их отношения друг к другу.
Рисунок изображает две важные функции системы сбора данных:
Сигналы вводятся в датчик, обусловлены, преобразованы в биты, которые может считать компьютер, и анализируются, чтобы извлечь значимую информацию.
Например, данные уровня звука получают от микрофона, усиливают, оцифровывают звуковой картой и хранят в рабочем пространстве MATLAB для последующего анализа содержимого.
Данные от компьютера преобразуются в аналоговый сигнал и выводятся на привод.
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 паз расширения внутри компьютера, или внешним и соединяется с компьютером через внешний кабель, который обычно является кабелем USB.
На самом простом уровне оборудование сбора данных характеризуются содержащими их подсистемами. Подсистема является компонентом оборудования сбора данных, которое выполняет специализированную задачу. Общие подсистемы включают
Аналоговый вход
Аналоговый выход
Цифровой вход/выход
Счетчик/таймер
Аппаратные устройства, которые состоят из нескольких подсистем, таких как изображенная ниже, называются многофункциональными платами.
Аналоговые входные подсистемы преобразуют реальные аналоговые входные сигналы от датчика в биты, которые может считать ваш компьютер. Возможно, наиболее распространенные из всех подсистем, они обычно доступны в многоканальных устройствах, предлагающих 12 или 16 биты разрешения.
Аналоговые входные подсистемы также называются AI-подсистемами, A/D-преобразователями или АЦП.
Аналоговые выходные подсистемы преобразуют цифровые данные, хранящиеся на вашем компьютере, в реальный аналоговый сигнал. Эти подсистемы выполняют обратное преобразование аналоговых входных подсистем. Типичные платы регистрации предлагают два выходных канала с 12 битами разрешения, со специальным оборудованием, доступным для поддержки нескольких операций аналогового выхода канала.
Аналоговые выходные подсистемы также называются подсистемами AO, преобразователями D/A или DAC.
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 одинарные биты или линии, либо как порт, который обычно состоит из восьми строк.
Хотя большинство популярных карт сбора данных включают некоторые возможности цифрового ввода-вывода, обычно это ограничено простыми операциями. Специальное оборудование часто необходимо для выполнения расширенных операций цифрового ввода-вывода.
Подсистемы счетчик/таймер (C/T) используются для подсчета событий, измерения частоты и периода и генерации последовательности импульсов.
Датчик преобразует представляющие интерес физические явления в сигналы, которые вводятся в ваше оборудование для сбора данных. Существует два основных типа датчиков на основе выходов, которые они производят: цифровые датчики и аналоговые датчики.
Цифровые датчики формируют сигнал выхода, 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 связанную с эмиттером логику (ECL). Примеры цифровых датчиков включают переключатели и энкодеры.
Аналоговые датчики формируют сигнал выхода, который прямо пропорциональен входному сигналу и непрерывен 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 системы охлаждения автомобиля и ускорение, производимое дочерним элементом на качелях, изменяются постоянно.
Датчик, который вы используете, зависит от явлений, которые вы измеряете. Некоторые общие аналоговые датчики и физические переменные, которые они измеряют, перечислены ниже.
Общие аналоговые датчики
Датчик | Физическая переменная |
|---|---|
Акселерометр | Ускорение |
Микрофон | Давление |
Давление датчик | Давление |
Сопротивление температурного устройства (RTD) | Температура |
Штамм- манометр | Сила |
Термопара | Температура |
При выборе лучшего аналогового датчика, который будет использоваться, вы должны соответствовать характеристикам физической переменной, которую вы измеряете, с характеристиками датчика. Двумя наиболее важными характеристиками датчика являются:
Выход датчика
Шумовая полоса датчика
Примечание
Можно использовать термопары и акселерометры, не выполняя линейных преобразований.
Выходом от датчика может быть аналоговый сигнал или цифровой сигнал, и выходная переменная обычно является напряжением, хотя некоторые датчики выводят ток.
Токовые сигналы. Ток часто используется для передачи сигналов в шумных окружениях, потому что он гораздо меньше зависит от шума окружающей среды. Полная шкала области значений текущего сигнала часто составляет или 4-20 мА или 0-20 мА. Сигнал 4-20 мА имеет то преимущество, что даже при минимальном значении сигналов должен быть обнаруживаемый ток. Отсутствие этого указывает на проблему с проводкой.
Сигналы напряжения. Наиболее часто сопряженным сигналом является сигнал напряжения. Для примера, термопар, манометров деформаций и акселерометров все генерируют сигналы напряжения. Существует три основных аспекта сигнала напряжения, которые вы должны рассмотреть:
Amplitude
Если сигнал меньше нескольких милливольт, вам может понадобиться усилить его. Если это больше, чем максимальная область значений вашего аналогового входного оборудования (обычно ± 10 В), вы должны разделить сигнал вниз с помощью резисторной сети.
Амплитуда связана с чувствительностью (разрешением) вашего оборудования. Дополнительные сведения о чувствительности оборудования см. в разделе «Точность и точность».
Frequency
Каждый раз, когда вы получаете данные, вы должны выбирать самую высокую частоту, которую вы хотите измерить.
Самая высокая частотная составляющая сигнала определяет, как часто вы должны дискретизировать вход. Если у вас более одного входа, 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 перед его оцифровкой.
Если вы дискретизируете входной сигнал, по крайней мере, в два раза быстрее, чем самая высокая частотная составляющая, то этот сигнал будет уникально охарактеризован. Однако эта скорость может не имитировать форму волны очень близко. Для быстро изменяющегося сигнала может потребоваться частота дискретизации примерно в 10-20 раз больше самой высокой частоты, чтобы получить точное изображение формы волны. Для медленно изменяющихся сигналов нужно учитывать только минимальное время для значительного изменения сигнала.
Частота связана с пропускной способностью вашего измерения. Пропускная способность обсуждается в Sensor Bandwidth.
Duration
Как долго вы хотите дискретизировать сигнал? Если вы храните данные в памяти или в файле диска, то длительность определяет необходимые ресурсы хранения. Формат сохраненных данных также влияет на объем необходимого пространства в памяти. Например, данные, хранящиеся в формате ASCII, занимают больше места, чем данные, хранящиеся в двоичном формате.
В реальном эксперименте по сбору данных физические явления, которые вы измеряете, имеют ожидаемые пределы. Например, температура системы охлаждения вашего автомобиля постоянно изменяется между ее низким пределом и высоким пределом. Пределы температуры, а также то, насколько быстро температура изменяется между пределами, зависят от нескольких факторов, включая ваши привычки вождения, погоду и условие системы охлаждения. Ожидаемые пределы могут быть легко аппроксимированы, но существует бесконечное число возможных температур, которые можно измерить в установленный момент времени. Как объяснено в Квантовании, эти неограниченные возможности отображаются в конечное множество значений оборудованием сбора данных.
Шумовая полоса задается областью значений частот, присутствующих в измеряемом сигнале. Можно также думать, что полоса пропускания связана со скоростью изменения сигнала. Медленно изменяющийся сигнал имеет низкую полосу пропускания, в то время как быстро изменяющийся сигнал имеет высокую полосу пропускания. Чтобы правильно измерить интересующие физические явления, пропускная способность датчика должна быть совместима с пропускной способностью измерения.
Можно хотеть использовать датчики с максимально возможной пропускной способностью при выполнении любого физического измерения. Это единственный способ гарантировать, что базовая система измерений способна линейно реагировать на всюсь область значений интересов. Однако, чем шире полоса пропускания датчика, тем больше вы должны заниматься устранением реакции датчика на нежелательные частотные составляющие.
Сигналы датчика часто несовместимы с оборудованием сбора данных. Чтобы преодолеть эту несовместимость, сигнал датчика должен быть обусловлен. Тип требуемой подготовки сигнала зависит от используемого датчика. Для примера сигнал может иметь небольшую амплитуду и требует усиления, или может содержать нежелательные частотные составляющие и требует фильтрации. Общие способы состояния сигналов включают
Увеличение
Фильтрация
Электрическая изоляция
Мультиплексирование
Источник возбуждения
Низкоуровневые - менее приблизительно 100 милливольт - обычно нужно усиливать. Высокоуровневые сигналы также могут потребовать усиления в зависимости от входной области значений аналоговой входной подсистемы.
Например, выходной сигнал от термопары небольшой и должен быть усилен, прежде чем он будет оцифрован. Усиление сигнала позволяет вам уменьшить шум и использовать всюсь область значений вашего оборудования, тем самым увеличивая разрешение измерения.
Фильтрация удаляет нежелательный шум из интересующего сигнала. Шумовой фильтр используется на медленно изменяющихся сигналах, таких как температура, чтобы ослабить сигналы более высокой частоты, которые могут снизить точность вашего измерения.
Быстро изменяющиеся сигналы, такие как вибрация, часто требуют другого типа фильтра, известного как антиалиазирующий фильтр. Антиалиазирующий 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 датчика должны быть электрически изолированы от компьютера в целях безопасности.
Можно также использовать электрическую изоляцию, чтобы убедиться, что на показания от оборудования сбора данных не влияют различия в потенциалах земли. Для примера, когда каждое аппаратное устройство и сигнал датчика ссылаются на отдельные основания, возникают проблемы, если существует разница потенциалов между этими двумя основаниями. Это различие может привести к циклу земли, что может вызвать ошибочные измерения. Использование электрически изолированных модулей формирования сигналов устраняет цикл заземления и гарантирует, что сигналы точно представлены.
Общим методом измерения нескольких сигналов с помощью одного измерительного устройства является мультиплексирование.
Устройства формирования сигналов для аналоговых сигналов часто обеспечивают мультиплексирование для использования с медленно изменяющимися сигналами, такими как температура. Это сложение к любому встроенному мультиплексированию на плате DAQ. A/D конвертер дискретизирует один канал, переключается на следующий канал и дискретизирует его, переключается на следующий канал и так далее. Поскольку тот же аналого-цифровой преобразователь дискретизирует много каналов, эффективная частота дискретизации каждого отдельного канала обратно пропорциональна количеству дискретизированных каналов.
Вы должны позаботиться при использовании мультиплексоров, чтобы у коммутируемого сигнала было достаточно времени для урегулирования. Для получения дополнительной информации о времени урегулирования см. раздел «Шум».
Для работы некоторых датчиков требуется источник возбуждения. Для устройств примера, манометров деформации и температуры сопротивления (RTD) требуют внешнего напряжения или возбуждения тока. Модули формирования сигналов для этих датчиков обычно обеспечивают необходимое возбуждение. Измерения RTD обычно выполняются с источником тока, который преобразует изменение сопротивления в измеряемое напряжение.
Компьютер предоставляет процессор, системные часы, шину для передачи данных и пространство памяти и диска для хранения данных.
Процессор управляет тем, как быстро данные принимаются конвертером. Системные часы обеспечивают временную информацию о полученных данных. Зная, что вы записали показания датчика, обычно недостаточно. Вы, возможно, также должны знать, когда это измерение произошло.
Данные передаются от оборудования к системной памяти через динамический доступ к памяти (DMA) или прерывания. DMA управляется оборудованием и поэтому очень быстро. Прерывания могут быть медленными из-за задержки между тем, когда плата запрашивает обслуживание прерывания и когда компьютер отвечает. Максимальная скорость захвата также определяется архитектурой шины компьютера. См. «Как происходит тактовая синхронизация приобретённых выборок»? для получения дополнительной информации о DMA и прерываниях.
Независимо от используемого оборудования необходимо отправлять информацию на оборудование и получать информацию от оборудования. Вы отправляете информацию о строении на оборудование, такое как частота дискретизации, и получаете информацию от оборудования, такого как данные, сообщения о состоянии и сообщения об ошибке. Возможно, потребуется также предоставить оборудованию информацию, чтобы можно было интегрировать ее с другим оборудованием и компьютерными ресурсами. Этот обмен информацией осуществляется с помощью программного обеспечения.
Существует два вида программного обеспечения:
Драйвер программного обеспечения
Прикладное программное обеспечение
Например, предположим, что вы используете программное обеспечение Data Acquisition Toolbox с National Instruments ™® плата и связанный с ней драйвер. Следующая схема показывает отношения между вами, драйвером и приложением.
Схема иллюстрирует, что вы поставляете информацию на оборудование и получаете информацию от оборудования.
Для устройства сбора данных существует связанное программное обеспечение драйвера, которое необходимо использовать. Драйвер программного обеспечения позволяет вам получить доступ и управлять своим оборудованием. Помимо прочего, базовое программное обеспечение драйвера позволяет вам
Передача данных на плату и с нее
Управляйте скоростью, с которой получаются данные
Интеграция оборудования для сбора данных с компьютерными ресурсами, такими как прерывания процессора, DMA и память
Интеграция оборудования сбора данных с оборудованием подготовки сигналов
Доступ к нескольким подсистемам на заданной плате сбора данных
Доступ к нескольким платам сбора данных
Прикладное программное обеспечение обеспечивает удобный фронтэнд к программному обеспечению драйвера. Базовое прикладное программное обеспечение позволяет вам
Сообщите соответствующую информацию, такую как количество полученных выборок
Сгенерируйте события
Управление данными, хранящимися в памяти компьютера
Обусловить сигнал
Построение графиков полученных данных
MATLAB и программное обеспечение Data Acquisition Toolbox предоставляют вам эти возможности и предоставляют инструменты, которые позволяют вам выполнить анализ данных.
