Een compact data-acquisitiesysteem bouwen

Data-acquisitie (DAQ) is een sleutelfunctie in een verscheidenheid van onderzoeks- en engineeringactiviteiten, gaande van ontwerpvalidatie en -verificatie tot versnelde levensduur- en productietests, om er maar enkele te noemen. De belangrijkste elementen van een DAQ-systeem zijn eenvoudig: sensoren, meethardware en software, maar vanaf dat punt kan het ingewikkeld worden.

Het systeem kan nodig zijn om een grote verscheidenheid van fysische verschijnselen te meten, zodat het flexibel en schaalbaar moet zijn, terwijl het ook robuust en betrouwbaar moet zijn, en de kosten zijn altijd een factor. Als gevolg hiervan is het specificeren en bouwen van een DAQ-systeem complex. Als het systeem te gedetailleerd is, zal het duur zijn en mogelijk omslachtig in het gebruik. Als het te weinig gespecificeerd is, zal het ongeschikt zijn voor huidige of toekomstige taken. Om dit dilemma op te lossen, kunnen ontwerpers kiezen voor een modulaire aanpak die begint met een robuust, krachtig chassis met meerdere slots voor aanvullende verwerkingsprestaties, functies en connectiviteitsopties die na verloop van tijd nodig kunnen zijn.

Dit artikel geeft een overzicht van de prestatiekenmerken van DAQ-systemen waarvan bestekschrijvers zich bewust moeten zijn, met inbegrip van digitalisering van analoge signalen, Nyquist bemonsteringstheorema en aliasing, ingangsbereiken, bemonsteringsfrequenties, en multiplexed versus gelijktijdige bemonstering. Vervolgens wordt een modulaire aanpak voorgesteld op basis van een CompactDAQ-chassis van National Instruments, analoge en digitale I/O-modules, en softwarecomponenten waaronder keuzes voor de ontwikkelomgeving, stuurprogramma's en analyse-/rapportage-instrumenten.

DAQ-vereisten en prestatiemetingen

Zoals gezegd bestaat een DAQ op basisniveau uit sensoren, signaalconditionering, analoog/digitaal-omzetters (ADC's), processoren en bijbehorende software (Afbeelding 1). De taak van de ontwerpers bestaat erin de systeemelementen af te stemmen op wat wordt gemeten en geanalyseerd, en daarbij de kosten en de installatietijd in de hand te houden.

Afbeelding 1: DAQ-systemen bestaan uit sensoren, DAQ-meetapparatuur die zorgt voor signaalconditionering en dataconversie, en computermiddelen die drivers en toepassingssoftware omvatten. (Bron afbeelding: NI)

Om de elementen op elkaar af te stemmen, is het belangrijk te begrijpen dat precisie, signaalamplitude en signaalfrequentie de fundamentele parameters van een DAQ-systeem zijn. Deze vertalen zich in respectievelijk meetresolutie, meetbereik en meetsnelheid. Bij veel toepassingen is resolutie de belangrijkste overweging. De resolutie bepaalt het aantal beschikbare meetwaarden. Een toestel met een resolutie van 3 bits kan bijvoorbeeld 8 mogelijke waarden meten (2³), terwijl een toestel met een resolutie van 6 bits 64 (2⁶) mogelijke waarden kan meten (Afbeelding 2). Een hogere resolutie leidt tot metingen die het signaal nauwkeuriger weergeven.

Afbeelding 2: Precisie in een DAQ-apparaat vertaalt zich in resolutie; een DAQ-apparaat met 6-bits resolutie levert 8 keer de hoeveelheid informatie (8 keer zo nauwkeurig) als een apparaat met 3-bits resolutie. (Bron afbeelding: NI)

Een bepaalde ADC wordt ingesteld om over een bepaald ingangsbereik te meten, zoals ±10 volt, en de resolutie van het DAQ-apparaat geldt voor het totale bereik. Als een meting wordt verricht over een kleiner bereik, bijvoorbeeld ±2 volt, is het resultaat een meting met een fractie (in dit geval, ongeveer 20%) van de gespecificeerde resolutie van het DAQ-apparaat (Afbeelding 3). Met behulp van een DAQ-apparaat met selecteerbare ingangsbereiken kan dit probleem worden opgelost. Gangbare ingangsbereiken zijn ±10 volt, ±5 volt, ±1 volt en ±0,2 volt. Het aanpassen van het ingangsbereik aan het signaalbereik resulteert in een meting van hogere kwaliteit.

Afbeelding 3: Het gebruik van een DAQ-apparaat met een resolutie van 3 bits en een bereik van ±10 volt (rode lijnen links en gele stippellijnen respectievelijk boven en onder in het bereik) om een signaal van ±2 volt (witte sinus) te meten, leidt tot een aanzienlijk verlies van nauwkeurigheid. (Bron afbeelding: NI)

Bemonsteringsfrequentie, Nyquist, en oversampling

De bemonsteringsfrequentie is de snelheid waarmee de ADC de analoge input omzet in digitale gegevens. Bemonsteringsfrequentie en resolutie kunnen omgekeerd evenredig zijn. Hogere bemonsteringsfrequenties zijn vaak alleen mogelijk door de bitsnelheid te verlagen, omdat de ADC bij een hogere snelheid minder tijd nodig heeft om het signaal te digitaliseren. Daarom is het belangrijk om de bemonsteringsfrequentie te optimaliseren.

De Nyquist Sampling Theorem is hier nuttig: Deze stelt dat een bemonsteringsfrequentie, f_s, die groter is dan tweemaal de maximale signaalfrequentie, resulteert in een nauwkeurige meting van de frequentie van het oorspronkelijke signaal. Dit wordt de Nyquist-frequentie, f_N, genoemd. Om de vorm en de frequentie van het oorspronkelijke signaal nauwkeurig te kunnen meten, moet volgens het Nyquist-theorema f_s 5 tot 10 maal de maximale signaalfrequentie bedragen. Het gebruik van een bemonsteringsfrequentie hoger dan f_N wordt oversampling genoemd.

Naast inzicht in f_N zijn aliasing en ghosting uitdagingen die moeten worden aangepakt bij het optimaliseren van f_s. Aliasing is een effect dat vervorming veroorzaakt in het spectrum van een bemonsterd signaal doordat de bemonsteringsfrequentie te laag is om hoge-frequentie-inhoud nauwkeurig vast te leggen. Overbemonstering kan aliasing elimineren. Overbemonstering is ook nuttig voor het vastleggen van snelle signaalranden, eenmalige gebeurtenissen en transiënten. Indien f_s echter te hoog is, kan een verschijnsel optreden dat ghosting wordt genoemd tijdens multiplexed sampling.

Bij hoge multiplex-bemonsteringsfrequenties wordt de bezinktijd van elk ingangskanaal een factor. Ghosting treedt op wanneer de bemonsteringsfrequentie groter is dan de bezinktijd van het DAQ-apparaat. Op dat moment interfereren de signalen op aangrenzende kanalen, wat leidt tot ghosting en onnauwkeurige metingen (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Links is de bemonsteringsfrequentie laag genoeg om een goede bezinking tussen de metingen op kanaal 0 (rood) en 1 (blauw) mogelijk te maken. Rechts ontstaat ghosting omdat de bemonsteringsfrequentie te hoog is, en kanaal 0 de meting op kanaal 1 beïnvloedt. (Bron afbeelding: NI)

De effectieve bemonsteringsfrequentie van een DAQ-apparaat wordt beïnvloed door de keuze van een simultane of multiplexed architectuur. Gelijktijdige bemonstering gebruikt één ADC per ingangskanaal en levert de volledige bemonsteringsfrequentie op alle kanalen, onafhankelijk van het aantal kanalen (Afbeelding 5).

Gelijktijdige bemonstering maakt het mogelijk meerdere monsters tegelijk te nemen. Een simultane architectuur is relatief duur en omvat meer componenten, waardoor het aantal beschikbare kanalen in één DAQ-apparaat beperkt kan zijn. In een gemultiplexte architectuur wordt een multiplexer (mux) gebruikt om één ADC te verdelen over alle kanalen, waardoor de maximumsnelheid die voor elk kanaal beschikbaar is, wordt verlaagd. Monsters worden in serie genomen met vertragingen tussen de kanalen. Multiplex-architecturen kosten minder en kunnen resulteren in een DAQ-apparaat met een grotere kanaaldichtheid.

Afbeelding 5: Gelijktijdige bemonstering levert de volledige datasnelheid op alle kanalen, terwijl bij multiplex-bemonstering de volledige datasnelheid over alle kanalen wordt verdeeld, wat resulteert in een lagere snelheid per kanaal. (Bron afbeelding: NI)

Bouwen van een compact DAC-systeem

De eerste stap bij het bouwen van een DAC-systeem is het kiezen van het CompactDAQ-chassis. Chassis zijn beschikbaar met verschillende communicatiebussen, waaronder PCI en PCI Express (PCIe), High-Speed USB, PXI en PXI Express (PXIe), en Ethernet 2.0, en van één tot 14 slots voor NI's C serie I/O modules. De 781156-01 heeft bijvoorbeeld acht slots en een USB 2.0-interface (Afbeelding 6). Extra meettypes en kanalen kunnen aan het systeem worden toegevoegd door eenvoudig modules aan te sluiten. Alle modules worden automatisch gedetecteerd en gesynchroniseerd met de klok in de backplane van het chassis.

Afbeelding 6: Het 781156-01 CompactDAQ-chassis heeft acht slots en een USB 2.0 High-Speed interface. (Bron afbeelding: NI)

De communicatiebus is een belangrijk onderdeel van de chassisspecificatie (Tabel 1). De 60 megabit per seconde (Mbits/s) die door USB wordt geleverd, is voldoende voor de meeste toepassingen, en USB heeft een goede flexibiliteit en draagbaarheid. Ethernet kan langere kabelafstanden en gedistribueerde DAQ-systemen ondersteunen in fysiek grote toepassingen. PCI- en PCIe-bussen maken het mogelijk apparaten aan te sluiten op een desktopcomputer voor datalogging en analyse. PXI- en PXIe-bussen zijn vergelijkbaar met PCI en PCIe, maar bieden superieure synchronisatiemogelijkheden, waardoor grote hoeveelheden gegevens kunnen worden geconsolideerd en vergeleken.

Tabel 1: De keuze van de DAQ-communicatiebus is een belangrijk onderdeel van de chassisselectie. De bus moet worden afgestemd op de vereiste datatransmissiesnelheden en -afstanden en op de behoefte aan draagbaarheid. (Bron afbeelding: NI)

Zodra het chassis is gekozen, kunnen ontwerpers kiezen uit meer dan 60 modules uit de C-serie voor meet-, regel- en communicatietoepassingen. Er zijn modules uit de C-serie verkrijgbaar die op vrijwel elke sensor of bus kunnen worden aangesloten en zeer nauwkeurige metingen mogelijk maken die voldoen aan de eisen van DAQ- en controletoepassingen (Afbeelding 7). Deze hot swappable modules bieden meetspecifieke signaalconditionering om ruis te filteren en gegevens te isoleren, analoog-digitaal-omzetting, plus een verscheidenheid aan ingangconnectoren.

Afbeelding 7: C-serie modules hebben een gemeenschappelijke vormfactor, kunnen hot-plug in elk CompactDAQ chassis worden geplaatst en zijn verkrijgbaar met een verscheidenheid aan ingangsconnectoren om aan de behoeften van uiteenlopende toepassingen te voldoen. (Bron afbeelding: NI)

Modules uit de C-serie kunnen worden gebruikt voor vele DAQ- en besturingsfuncties, waaronder:

• Analoge ingangsmodules hebben tot 16 kanalen voor aansluiting op spanning, stroom en gangbare sensoren voor het meten van temperatuur, geluid, rek, druk, belasting, trillingen, en meer.
  • De NI 9239 is een 4-kanaals universele analoge ingangsmodule. Elk kanaal heeft een meetbereik van ±10 volt met een resolutie van 24 bit en voert 50 kS/s (kilo samples per seconde) gegevens uit bij de maximale bemonsteringsfrequentie.
• Analoge uitgangsmodules zijn beschikbaar met 2, 4 en 16 kanalen en kunnen worden gebruikt voor het genereren van spanningssignalen en het aansturen van industriële stroomgestuurde actuatoren
  • De NI 9263 is een vier-kanaals analoge uitgangsmodule met traceerbare kalibratie van het National Institute of Standards and Testing (NIST), plus overspanningsbeveiliging, kortsluitbeveiliging, snelle slewrate en hoge nauwkeurigheid.
• Digitale ingangs- en uitgangsmodules kunnen worden gebruikt voor het genereren en lezen van digitale signalen. Digitale ingangsmodules zijn verkrijgbaar met 4, 6, 8, 16 en 32 kanalen, uitgangs- en bidirectionele modules worden aangeboden met 8, 16 en 32 kanalen.
  • De NI 9423 is een achtkanaals digitale ingangsmodule die compatibel is met 24-voltsignalen en is ontworpen om te werken met industriële logische niveaus en signalen voor directe aansluiting op een reeks industriële schakelaars, transducers, sensoren en andere apparaten.
  • De NI 9472 is een achtkanaals digitale uitgangsmodule die compatibel is met signalen van 6 tot 30 volt en rechtstreeks kan worden aangesloten op een groot aantal industriële apparaten zoals actuatoren, relais en motoren.

Software-integratie

De laatste stap bij het bouwen van een compact DAQ-systeem is software. De NI-DAQmx Application Programming Interface (API) werkt rechtstreeks met een groot aantal ontwikkelingsmogelijkheden, waaronder LabVIEW, C, C# en Python. De API ondersteunt naadloze werking over alle NI DAQ-apparaten en minimaliseert herontwikkelingsinspanningen als gevolg van hardware-upgrades of wijzigingen, en omvat toegang tot documentatie, helpbestanden en talrijke kant-en-klare softwarevoorbeelden om de ontwikkeling van toepassingen snel op te starten.

Ontwikkelaars kunnen het programmeringsniveau instellen dat voor elk project nodig is (Afbeelding 8). FlexLogger-dataloggingsoftware biedt een intuïtieve, op sensoren gerichte configuratieontwikkelingsomgeving die kan worden geïntegreerd met NI's LabVIEW voor analyses op maat. Het gebruik van LabVIEW biedt de mogelijkheid om hardware te configureren met behulp van interactieve analysepanelen, of een volledig uitgeruste programmeeromgeving. Geavanceerde ontwikkelaars kunnen de meeste programmeertalen gebruiken om rechtstreeks te interfacen met de DAQmx API voor aanpassingen en prestaties.

Afbeelding 8: Een stroomschema voor de selectie van DAQ-software toont hoe ontwikkelaars het programmeringsniveau kunnen instellen dat zij voor elk project wensen te doen. (Bron afbeelding: NI)

Conclusie

Het ontwerpen van een DAQ kan een complexe taak zijn als je vanaf nul begint. Sensoren, signaalconditionering, verwerking, I/O en software moeten voldoen aan de uit te voeren taak en moeten na verloop van tijd kunnen worden aangepast en geüpgraded. In plaats van de elementen aan elkaar te naaien, kunnen ontwikkelaars een modulaire aanpak hanteren om snel en efficiënt een compact DAQ systeem te ontwerpen dat sensoren, hardware en software bevat, die allemaal in de loop van de tijd kunnen worden verwisseld als de toepassingseisen veranderen.

Bovendien ondersteunt de in dit artikel getoonde aanpak diverse communicatiebussen, waaronder PCI en PCIe, High-Speed USB, PXI en PXIe, en Ethernet 2.0 om aan specifieke systeemvereisten te voldoen. Hij maakt gebruik van "hot swappable" modules voor meetspecifieke signaalconditionering om ruis te filteren en gegevens te isoleren, en analoog-digitaal-omzetting, plus een selectie van ingangconnectorstijlen. Het is ook flexibel en kan worden geïntegreerd met diverse meetsoftware, waaronder LabVIEW, C, C# en Python.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Hoe ontwerpt u een universeel meerkanaals data-acquisitiesysteem?