Система сбора данных
Обзор
Data Acquisition Toolbox™, с MATLAB® техническая вычислительная среда, дает вам способность сгенерировать, измериться. и анализируйте физические явления. Цель любой системы сбора данных состоит в том, чтобы предоставить вам инструменты и ресурсы, чтобы сделать это.
Можно думать о системе сбора данных как о наборе программного и аппаратного обеспечения, которое соединяет программу с материальным миром. Типичная система сбора данных состоит из этих компонентов:
| Компоненты | Описание |
|---|---|
Data acquisition hardware | В основе любой системы сбора данных находится оборудование сбора данных. Основная функция этого оборудования должна преобразовать аналоговые сигналы в цифровые сигналы, и преобразовывать цифровые сигналы 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 форме давления) в электроэнергию, в то время как громкоговоритель является приводом, который преобразует электроэнергию в звуковую энергию. | |
Signal conditioning hardware | Сигналы датчика часто несовместимы с оборудованием сбора данных. Чтобы преодолеть эту несовместимость, сигнал должен быть обусловлен. Например, вы можете должны быть обусловить входной сигнал путем усиления его или путем удаления нежелательных частотных составляющих. Выходным сигналам может быть нужно создание условий также. |
Computer | Компьютер обеспечивает процессор, системные часы, шина, чтобы передать данные, и пространство памяти и дисковое пространство, чтобы хранить данные. |
Software | Программное обеспечение сбора данных позволяет вам обмениваться информацией между компьютером и оборудованием. Например, типичное программное обеспечение позволяет вам конфигурировать частоту дискретизации своей платы и получать предопределенный объем данных. |
Следующая схема иллюстрирует компоненты сбора данных и их отношения друг другу.
Фигура изображает две важных функции системы сбора данных:
Сигналы вводятся к датчику, обусловленному, преобразованному в биты, которые компьютер может считать, и анализируемый, чтобы извлечь значимую информацию.
Например, данные об уровне звука получены от микрофона, усилили, оцифрованный звуковой картой, и сохранили в рабочем пространстве MATLAB для последующего анализа содержимого частоты.
Данные из компьютера преобразованы в аналоговый сигнал и выведены на привод.
Например, вектор из данных в рабочем пространстве MATLAB преобразован в аналоговый сигнал звуковой картой и выведен к громкоговорителю.
Оборудование сбора данных
Оборудование сбора данных является или внутренним и установлено непосредственно в слот расширения в вашем компьютере, или внешним и подключенным с вашим компьютером через внешний кабель, который обычно является USB-кабелем.
На самом простом уровне оборудование сбора данных характеризуется подсистемами, которые включают его. Подсистема является компонентом вашего 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 та, изображенная ниже, называются многофункциональными платами.
Подсистемы аналогового входа
Подсистемы аналогового входа преобразуют реальные сигналы аналогового входа от датчика в биты, которые могут быть считаны вашим компьютером. Возможно, наиболее распространенная из всех подсистем, они обычно доступны в многоканальных устройствах, предлагающих 12 или 16 битов разрешения.
Подсистемы аналогового входа также упоминаются как подсистемы AI, конвертеры A/D или ADCs.
Подсистемы аналогового выхода
Подсистемы аналогового выхода преобразуют цифровые данные, хранимые на вашем компьютере к реальному аналоговому сигналу. Эти подсистемы выполняют обратное преобразование подсистем аналогового входа. Типичные платы захвата предлагают два выходных канала с 12 битами разрешения со специальным оборудованием, доступным, чтобы поддержать несколько операций аналогового выхода канала.
Подсистемы аналогового выхода также упоминаются как подсистемы AO, цифро-аналоговые преобразователи или DACs.
Цифровой вход / Выходные Подсистемы
Цифровой вход / выход (DIO) подсистемы спроектирован к вводу и выводу цифровые значения (логические уровни) к и от оборудования. Эти значения обычно обрабатываются или как один биты или как линии, или как порт, который обычно состоит из восьми линий.
В то время как большинство популярных карт сбора данных включает некоторую цифровую возможность ввода-вывода, она обычно ограничивается простыми операциями. Специальное выделенное оборудование часто необходимо для выполнения усовершенствованных цифровых операций I/O.
Подсистемы счетчика/Таймера
Счетчик/таймер (C/T) подсистемы используется для подсчета события, частоты и измерения периода и генерации последовательности импульсов.
Датчики
Датчик преобразует физические явления интереса в сигналы, которые вводятся к вашему оборудованию сбора данных. Существует два основных типа датчиков на основе выхода, который они производят: цифровые датчики и аналоговые датчики.
Цифровые датчики производят выходной сигнал, который является цифровым представлением входного сигнала и измерил дискретные значения величины в дискретные времена. Цифровой датчик должен вывести логические уровни, которые совместимы с цифровым приемником. Некоторые стандартные логические уровни включают транзисторно-транзисторную логику (TTL) и логику с эмиттерной связью (ECL). Примеры цифровых датчиков включают энкодеры положения и переключатели.
Аналоговые датчики производят выходной сигнал, который прямо пропорционален входному сигналу и непрерывен и в величине и во время. Большинство физических переменных, таких как температура, давление и ускорение непрерывно по своей природе и с готовностью измеряется с аналоговым датчиком. Например, температура автомобильной системы охлаждения и ускорения, произведенного дочерним элементом на колебании оба, варьируется постоянно.
Датчик, который вы используете, зависит от явлений, которые вы измеряете. Некоторые общие аналоговые датчики и физические переменные, которые они измеряют, описаны ниже.
Общие аналоговые датчики
Датчик | Физическая переменная |
|---|---|
Акселерометр | Ускорение |
Микрофон | Давление |
Манометр | Давление |
Резистивное температурное устройство (RTD) | Температура |
Напрягите прибор | Сила |
Термопара | Температура |
При выборе лучшего аналогового датчика, чтобы использовать, необходимо совпадать с характеристиками физической переменной, которую вы измеряете с характеристиками датчика. Две самых важных характеристики датчика:
Датчик выводится
Полоса пропускания датчика
Примечание
Можно использовать термопары и акселерометры, не выполняя линейные преобразования.
Датчик Выход
Выход от датчика может быть аналоговым сигналом или цифровым сигналом, и выходная переменная обычно является напряжением несмотря на то, что некоторые датчики выводят текущий.
Текущие Сигналы. Текущий часто используется к передаваемым сигналам в шумных средах, потому что это намного менее затронуто экологическим шумом. Область значений полного масштаба текущего сигнала часто - или 4-20 мА или 0-20 мА. Сигнал на 4-20 мА имеет преимущество что даже в минимальном значении сигналов, должно быть обнаруживаемое текущее течение. Отсутствие этого указывает на проблему проводного соединения.
Сигналы напряжения. Сигнал, с которым обычно соединяют интерфейсом, является сигналом напряжения. Например, термопары, напрягите приборы и акселерометры, все производят сигналы напряжения. Существует три главных аспекта сигнала напряжения, что необходимо рассмотреть:
Amplitude
Если сигнал меньше нескольких милливольт, вы можете должны быть усилить его. Если это больше максимальной области значений вашего оборудования аналогового входа (обычно ±10 В), необходимо разделить сигнал вниз с помощью резисторной схемы.
Амплитуда связана с чувствительностью (разрешение) вашего оборудования. Обратитесь к Точности и Точности для получения дополнительной информации об аппаратной чувствительности.
Frequency
Каждый раз, когда вы получаете данные, необходимо решить самую высокую частоту, которую вы хотите измерить.
Самая высокая частотная составляющая сигнала определяет, как часто необходимо произвести вход. Если у вас есть больше чем один вход, но только одна подсистема аналогового входа, то полная частота дискретизации повышается пропорционально количеству входных параметров. Более высокие частоты могут присутствовать как шум, который можно удалить путем фильтрации сигнала, прежде чем это будет оцифровано.
Если вы произведете входной сигнал, по крайней мере, дважды с такой скоростью, как самая высокая частотная составляющая, то тот сигнал будет исключительно характеризоваться. Однако этот уровень не может подражать форме волны очень тесно. Для быстро различного сигнала вам может быть нужна частота дискретизации примерно 10 - 20 раз самой высокой частоты, чтобы получить точную картину формы волны. Для медленно различных сигналов вы должны только рассмотреть минимальное время для существенного изменения в сигнале.
Частота связана с полосой пропускания вашего измерения. Полоса пропускания обсуждена в Полосе пропускания Датчика.
Duration
Сколько времени вы хотите произвести сигнал для? Если вы храните данные к памяти или к дисковому файлу, то длительность определяет требуемые ресурсы хранения. Формат хранимых данных также влияет на количество требуемого пространства памяти. Например, данные, хранимые в формате ASCII, занимают больше места, чем данные, хранимые в двоичном формате.
Полоса пропускания датчика
В реальном эксперименте сбора данных физические явления, которые вы измеряете, ожидали пределы. Например, температура системы охлаждения вашего автомобиля варьируется постоянно между ее низким пределом и высоким пределом. Температурные пределы, а также как быстро температура варьируется между пределами, зависят от нескольких факторов включая ваши ведущие привычки, погоду и условие системы охлаждения. Ожидаемые пределы могут быть с готовностью аппроксимированы, но существует бесконечное число возможных температур, которые можно измерить в установленный срок. Как объяснено в Квантовании, эти неограниченные возможности сопоставлены с конечным множеством значений вашим оборудованием сбора данных.
Полоса пропускания дана областью значений частот, существующих в измеряемом сигнале. Можно также думать о полосе пропускания, как связываемой со скоростью изменения сигнала. Медленно различный сигнал имеет низкую полосу пропускания, в то время как быстро различный сигнал имеет высокую полосу пропускания. Чтобы правильно измерить физические явления интереса, полоса пропускания датчика должна быть совместима с полосой пропускания измерения.
Вы можете хотеть использовать датчики с самой широкой полосой пропускания при делании любого физического измерения. Это - один способ гарантировать, что основная система измерения способна к ответу линейно по полному спектру интереса. Однако, чем шире полоса пропускания датчика, тем больше вы должны быть обеспокоены устранением ответа датчика на нежелательные частотные составляющие.
Создание условий сигнала
Сигналы датчика часто несовместимы с оборудованием сбора данных. Чтобы преодолеть эту несовместимость, сигнал датчика должен быть обусловлен. Тип требуемого создания условий сигнала зависит от датчика, который вы используете. Например, сила сигнала имеют маленькую амплитуду и требуют усиления, или оно может содержать нежелательные частотные составляющие и потребовать фильтрации. Распространенные способы обусловить сигналы включают
Усиление
Фильтрация
Электрическая изоляция
Мультиплексирование
Источник возбуждения
Усиление
Низкий уровень – меньше, чем приблизительно 100 милливольт – обычно должны усиливаться. Высокоуровневые сигналы могут также потребовать усиления в зависимости от входного диапазона подсистемы аналогового входа.
Например, выходной сигнал термопары мал и должен быть усилен, прежде чем он будет оцифрован. Усиление сигнала позволяет вам уменьшать шум и использовать полный спектр вашего оборудования, таким образом, увеличивающего разрешение измерения.
Фильтрация
Фильтрация удаляет нежелательный шум из сигнала интереса. Шумовой фильтр используется на медленно различных сигналах, таких как температура, чтобы ослабить более высокие сигналы частоты, которые могут уменьшать точность вашего измерения.
Быстро различные сигналы, такие как вибрация часто требуют другого типа фильтра, известного как фильтр сглаживания. Фильтр сглаживания удаляет нежелательные более высокие частоты, которые могут привести к ошибочным измерениям.
Электрическая изоляция
Если сигнал интереса содержит высоковольтные переходные процессы, которые могли бы повредить компьютер, то сигналы датчика должны быть электрически изолированы от компьютера в целях безопасности.
Можно также использовать электрическую изоляцию, чтобы убедиться, что показания от оборудования сбора данных не затронуты различиями в наземных потенциалах. Например, когда на аппаратное устройство и сигнал датчика каждый ссылаются, чтобы разделить территорию, проблемы происходят, если существует разность потенциалов между двумя территориями. Это различие может привести к контуру заземления, который может вызвать ошибочные измерения. Используя электрически изолированный сигнал модули создания условий устраняют контур заземления и гарантируют, что сигналы точно представлены.
Мультиплексирование
Общий метод для измерения нескольких сигналов с одним измерительным прибором мультиплексирует.
Устройства создания условий сигнала для аналоговых сигналов часто обеспечивают мультиплексирование для использования с медленным изменением сигналов, таких как температура. Это в дополнение к любому встроенному мультиплексированию на плате DAQ. Конвертер A/D производит один канал, переключается на следующий канал и производит его, переключается на следующий канал и так далее. Поскольку тот же конвертер A/D производит много каналов, эффективная частота дискретизации каждого отдельного канала обратно пропорциональна количеству произведенных каналов.
Необходимо заботиться при использовании мультиплексоров так, чтобы коммутируемый сигнал имел достаточное количество времени, чтобы обосноваться. Обратитесь к Шуму для получения дополнительной информации о времени урегулирования.
Источник возбуждения
Некоторые датчики требуют, чтобы источник возбуждения действовал. Например, напрягите приборы, и резистивные температурные устройства (RTDs) требуют внешнего напряжения или текущего возбуждения. Модули создания условий сигнала для этих датчиков обычно обеспечивают необходимое возбуждение. Измерения RTD обычно делаются с текущим источником, который преобразует изменение сопротивления измеримому напряжению.
Компьютер
Компьютер обеспечивает процессор, системные часы, шина, чтобы передать данные, и пространство памяти и дисковое пространство, чтобы хранить данные.
Процессор управляет, как быстрые данные приняты конвертером. Системные часы предоставляют информацию времени о полученных данных. Знание, что вы записали чтение датчика, обычно недостаточно. Вы можете также должны быть знать, когда то измерение произошло.
Данные передаются с оборудования на системную память через доступ к динамической памяти (DMA) или прерывания. DMA является оборудованием, которым управляют и поэтому чрезвычайно быстро. Прерывания могут быть медленными из-за времени задержки между тем, когда плата запрашивает обслуживание прерывания и когда компьютер отвечает. Максимальный уровень захвата также определяется шинной архитектурой компьютера. Обратитесь к тому, Как Синхронизированы Полученные Выборки? для получения дополнительной информации о DMA и прерываниях.
Программное обеспечение
Независимо от оборудования вы используете, необходимо отправить информацию в оборудование и получить информацию от оборудования. Вы отправляете конфигурационную информацию в оборудование, такое как частота дискретизации и получаете информацию от оборудования, такого как данные, сообщения о состоянии и сообщения об ошибке. Вы можете также должны быть предоставить оборудование информацию так, чтобы можно было интегрировать его с другим оборудованием и с ресурсами компьютера. Этот обмен информацией выполняется с программным обеспечением.
Существует два вида программного обеспечения:
Программное обеспечение Driver
Прикладное программное обеспечение
Например, предположите, что вы используете программное обеспечение Data Acquisition Toolbox с National Instruments ™® плата и ее связанный драйвер. Следующая схема показывает отношение между вами, программным обеспечением драйвера и прикладным программным обеспечением.
Схема иллюстрирует, что вы предоставляете информацию к оборудованию, и вы получаете информацию от оборудования.
Программное обеспечение драйвера
Для устройства сбора данных существует сопоставленное программное обеспечение драйвера, которое необходимо использовать. Программное обеспечение Driver позволяет вам получать доступ и управлять своим оборудованием. Среди прочего основное программное обеспечение драйвера позволяет вам
Передайте данные и от платы
Управляйте уровнем, на котором получены данные
Интегрируйте оборудование сбора данных с ресурсами компьютера, такими как прерывания процессора, DMA и память
Интегрируйте оборудование сбора данных с сигналом, обусловливающим оборудование
Доступ к нескольким подсистемам на плате захвата определенных данных
Доступ к нескольким платам сбора данных
Прикладное программное обеспечение
Прикладное программное обеспечение предоставляет удобный фронтэнд программному обеспечению драйвера. Основное прикладное программное обеспечение позволяет вам
Сообщите релевантную информацию, такую как полученное количество отсчетов
Сгенерируйте события
Управляйте данными, хранимыми в памяти компьютера
Обусловьте сигнал
Отобразите полученные данные на графике
Программное обеспечение MATLAB и Data Acquisition Toolbox предоставляет вам эти возможности и обеспечивает инструменты, которые позволяют вам выполнить анализ данных.