В общем случае корректность результатов, получаемых при использовании компьютерной системы сбора данных, определяется следующими её компонентами (смотри рис. 1):

- персональный компьютер (ПК);
- оборудование сбора данных;
- программное обеспечение;
- датчики;
- системы согласования сигналов.

Рисунок 1 – Типичная компьютерная система сбора данных

Персональный компьютер как ядро системы сбора данных

Существенное влияние на максимальную скорость потокового сбора данных оказывает быстродействие компьютера, который используется в системе сбора данных (ССД). Таким образом, поскольку сегодня компьютерные технологии развиваются крайне быстро, ваша ССД в полном объеме получает преимущества от их использования, а именно – возможности обработки сигналов и данных в реальном времени, расширенные функции графического отображения информации и высокие скорости сохранения потоков данных на дисковые накопители. Пиком современных технологий являются процессоры класса Pentium IV и PowerPC в сочетании с высокопроизводительными системными шинами. Шины PCI и USB являются стандартными компонентами большинства современных ПК и обеспечивают возможность передачи данных со скоростью до 132 Мб/с. Внешние шины и порты, а также шины PCMCIA, USB и FireWire (IEEE 1394), широко распространенные в портативных компьютерах, являются основой для построения гибких ССД со скоростью передачи данных до 40 Мб/с. Таким образом, компьютерные системы сбора данных представляют серьезную альтернативу стационарным решениям. В приложениях удалённого и распределенного сбора данных вы можете разместить измерительные узлы в непосредственной близости от датчиков и источников сигнала, а для передачи результатов измерений использовать стандартные сетевые технологии Ethernet, последовательный порт или узлы беспроводной связи. При выборе устройства сбора данных (СД) и архитектуры системной шины следует учитывать режимы и скорости передачи данных, которые поддерживаются выбранным устройством и шиной.

Быстродействие компьютера существенно влияет на производительность системы сбора данных в целом. Двадцать лет назад ПК могли передавать данные на частотах около 5 МГц, сегодня же эти скорости гораздо выше. При увеличении производительности ПК скорость работы ССД также увеличивается.

Современные ПК способны осуществлять передачу данных с помощью функций программируемого ввода/вывода и с использованием прерываний. Передача данных с использованием прямого доступа к памяти (ПДП, англ. – DMA), осуществляется при помощи специального аппаратного контроллера, который производит запись информации с системной шины компьютера напрямую в его ОЗУ, минуя процессор и тем самым повышая общую производительность системы. При этом процессор не освобождается от задач управления передачей данных, что освобождает его для выполнения более сложных вычислительных задач. Инструментальный драйвер NI-DAQ 7 компании National Instruments, выполняющий функции интерфейса между аппаратными средствами сбора данных и компьютером, содержит специально оптимизированные процедуры ПДП для передачи данных в память компьютера с максимально возможной скоростью. Для того чтобы использовать преимущества ПДП и использования прерываний, устройство СД должно поддерживать передачу данных этими способами на аппаратном уровне. Например, устройства для шин PCI и FireWire (IEEE 1394) могут работать и в режиме прямого доступа к памяти и с использованием прерываний, в то время как приборы для PCMCIA и USB предают данные только с использованием прерываний. Таким образом, метод передачи данных также влияет на максимальную производительность ССД, в зависимости от объема вычислений и иных операций, выполняемых процессором компьютера параллельно с измерительными задачами.

Фактором, ограничивающим объём накопления больших потоков данных в реальном времени, является производительность жёсткого диска компьютера. Время доступа к диску и фрагментация файловой системы могут значительно снизить максимальную скорость сбора и накопления данных. Для измерительной системы, которая регистрирует высокочастотные сигналы, следует выбирать высокоскоростной жёсткий диск и убедиться, что на нём есть достаточное количество непрерывного (нефрагментированного) свободного места. Более того, для сбора данных лучше выделить отдельный диск, расположив операционную систему на другом жёстком диске.

Ранее, в приложениях реального времени по обработки высокочастотных сигналов, необходимо было использовать высокопроизводительные 32-разрядные процессоры с сопутствующим сопроцессором или специализированные цифровые сигнальные процесссоры. Однако, вычислительные возможности современных процессоров для настольных систем, работающих на частотах свыше 2,5 ГГц, столь велики, что необходимость в использовании специализированных процессоров практически отсутствует.

Наконец, правильный выбор операционной системы вашего компьютера позволит добиться максимальной эффективности и удовлетворить текущие потребности. На этот выбор влияют многие факторы, такие как опыт и требования разработчиков и конечных пользователей, другие применения ПК (на данный момент и в будущем), финансовые соображения, совместимость аппаратных средств, имеющихся в наличии компьютеров, с выбранной ОС, а также наличие необходимого программного обеспечения под эту ОС. Традиционно распространены операционные системы Mac OS, известные своим простым графическим пользовательским интерфейсом, а также Windows 2000 и Windows XP – популярные 32-разрядные ОС с удобным пользовательским интерфейсом, расширенным управлением питанием и поддержкой технологии Plug&Play. Кроме того, для повышения надежности и функциональности в ряде приложений весьма перспективным оказывается применение операционных систем реального времени (ОСРВ).

Аппаратура сбора данных

Исходя из целей вашего приложения, вы можете остановить свой выбор на одном из следующих классов устройств сбора данных:

- устройства аналогового ввода/вывода;

-· устройства цифрового ввода/вывода;

-· счётчики/таймеры;

-· многофункциональные устройства, поддерживающие аналоговые и цифровые операции, а также возможности счётчиков.

Аналоговый ввод

Основные параметры устройства аналогового ввода – его возможности и точность, можно определить по параметрам его аналоговых входов. В основных спецификациях устройств сбора данных, доступных для большинства продуктов, указываются количество входных каналов, частота оцифровки, разрешение и входной диапазон напряжений, поддерживаемые данным устройством.

Количество каналов – для приборов с однопроводными и дифференциальными аналоговыми каналами ввода сигналов обычно указывается число входов обоих типов. Однопроводные входы имеют общую землю и используются в случае, когда входной сигнал имеет высокую амплитуду (свыше 1 В), и когда провода, соединяющие источник сигнала и оборудование аналогового ввода, обладают длиной менее 4,5 м. Если входные сигналы не удовлетворяют этим требованиям, то используются дифференциальные входы. В этом случае каждый вход устройства сбора данных имеет собственную «землю», что приводит к устранению синфазного шума в проводах и уменьшению числа ошибок.

Частота оцифровки– данный параметр определяет то, насколько часто происходит аналого-цифровое преобразование входного сигнала. Более высокая частота оцифровки позволяет получить большее количество отсчётов за одинаковое время, т.е. лучше «прописать» форму исходного сигнала. Оцифровка данных может производиться несколькими аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП) одновременно или одним АЦП в режиме мультиплексирования, которое является стандартный методом измерения сигналов на с нескольких входных каналов с помощью одного АЦП. В этом режиме АЦП сначала оцифровывает один канал, затем переключается на другой, и так далее.

Разрешение АЦП– это количество бит, используемое АЦП для представления аналогового сигнала в цифровом виде. Чем выше разрешение АЦП, тем большее количество интервалов используется для разбиения входного диапазона, и тем меньше минимальное измеряемое изменение напряжения. На рисунке 2 показана синусоидальная волна и соответствующий ей цифровой образ, полученный с помощью идеального 3-битного АЦП. Преобразователь с разрешением 3 бита (который на самом деле почти нигде не используется, но является хорошим примером) делит диапазон аналогового сигнала на 23 = 8 интервалов.

Каждый интервал представляется двоичным числом между 000 и 111. Очевидно, что в данном случае цифровое представление не очень хорошо соответствует исходному аналоговому сигналу, поскольку информация при преобразовании была потеряна. Однако при увеличении разрешения до 16 бит, количество интервалов измерения АЦП возрастает с 8 до 65 536, что позволяет получать очень точное цифровое представление аналоговых сигналов при условии, что остальная часть аналоговой входной цепи спроектирована без ошибок.

Рисунок 2 – Синусоидальная волна, оцифрованная с разрешением 3 бита

Диапазон измерений– диапазон уровней напряжения входных сигналов, который способен оцифровать АЦП. В многофункциональных приборах DAQ компании NI имеется возможность настройки диапазона измерений сигналов и, таким образом, работать с сигналами различного уровня. Приведение амплитуды сигнала к входному диапазону АЦП позволяет полностью использовать все доступное разрешение преобразователя.

Ширина кода– диапазон измерений, разрешение и усиление устройства сбора данных определяют минимальное измеряемое изменение сигнала. Это изменение напряжения соответствует одному младшему значащему разряду (МЗР) цифрового представления сигнала и обычно называется шириной кода. Идеальная ширина кода находится путём деления диапазона измерений напряжения на коэффициент усиления и количество интервалов, на которые может быть разбит входной диапазон сигнала пре его оцифровке (двойка, возведённая в степень, равную величине разрешения АЦП). Например, один из 16-разрядных многофункциональных приборов NI DAQ 6030E предоставляет выбор между входными диапазонами сигналов 0-10 В и ±10 В и коэффициентами усиления 1, 2, 5, 10, 20, 50 или 100. При диапазоне от 0 до 10 В и усилении 100, идеальная ширина кода определяется следующим выражением:

10 / ( 100 * 216) = 1,5 мкВ

Критический взгляд на аналоговый ввод – Иногда основные характеристики устройства, описанные ранее, могут указывать на то, что устройство СД имеет 16-разрядный АЦП с частотой оцифровки 100 кГц, однако, возможна ситуация, когда все 16 входных каналов не будут оцифровываться с максимальными скоростью и с разрешением. К примеру, на рынке можно найти устройства с 16-разрядными АЦП, эффективное разрешение которых составляет менее 12 бит. Для определения того, будет ли прибор давать желаемые результаты, необходимо внимательно изучить спецификации, связанные с реальным разрешением прибора. Калькулятор точности поможет получить полные характеристики устройств СД компании National Instruments, а в официальных документах Measurement Ready можно найти относящуюся к системам сбора данных информацию о качестве измерений, интеграции программного обеспечения и поддержки решений.

При выборе устройства сбора данных также следует изучить его следующие характеристики: дифференциальную нелинейность, относительную точность, время установления измерительного усилителя и параметры шума.

Дифференциальная нелинейность– в идеале, при увеличении амплитуды сигнала, подаваемого на устройство СД, цифровые значения, выдаваемые АЦП, также должны линейно возрастать. В этом случае зависимость цифрового кода на выходе идеального АЦП от входного напряжения будет линейной. Отклонения реальной кривой от линейной зависимости характеризуют нелинейность преобразователя. Дифференциальная нелинейность характеризует максимальное отклонение ширины коды устройства от идеального значения, соответсвующего 1 МЗР. Идеальный прибор обладает нулевой дифференциальной нелинейностью. В реальности, дифференциальная нелинейность хорошего устройства СД равна ±0.5 МЗР.

Верхнего предела на ширину кода не существует. Коды не могут быть меньше, чем 0 МЗР, поэтому дифференциальная нелинейность всегда больше -1. Плохое устройство СД может иметь ширину кода равной или близкой к нулю, что, по сути, является пропущенным значением. В этом случае вне зависимости от подаваемого на вход напряжения, прибор не сможет оцифровать напряжение, представляемое этим значением. Иногда дифференциальную нелинейность определяют выражением: «у устройства СД нет пропущенных значений». Это означает, что дифференциальная нелинейность ограничена снизу значением -1 МЗР, а верхняя граница не указывается. Все приборы E-серии компании National Instruments гарантированно не имеют пропущенных значений, и их линейность можно определить, исходя из указанного в спецификациях значения дифференциальной нелинейности.

Если устройство СД из предыдущего примера, точность которого составляет 1,5 мкВ, имеет пропущенное значение немного выше 500 мкВ, то увеличение напряжения до 502 мкВ зафиксировано не будет. Прибор зафиксирует изменение сигнала только тогда, когда его амплитуда возрастёт ещё на один МЗР, в данном случае до 503 мкВ. Таким образом, большая дифференциальная нелинейность уменьшает разрешение прибора.

Относительная точность– это измеряемое в МЗР наибольшее отклонение от идеальной передаточной функции прибора, т.е. от прямой линии. Для определения относительной точности прибора нужно подать на его вход минимальное напряжение рабочего диапазона, получить оцифрованное значение, увеличить входное напряжение и так далее до достижения максимального напряжения диапазона. При отображении измеренных точек в виде графика должна получиться примерно прямая линия, как показано на рисунке 3(a). Однако при вычитании настоящей прямой линии из этого графика, получается зависимость, приведённая на рисунке 3(b). Максимальное отклонение от нуля является относительной точностью прибора.

Рисунок 3 – Определение относительной точности прибора DAQ. На рис. 3(a) показана почти линейная зависимость от входного напряжения. На рис. 4(b) показан результат вычитания настоящей прямой линии

Драйвера прибора сбора данных переводят получаемый с АЦП двоичный код в напряжение, умножая его на константу. Высокая относительная точность устройства СД, которая важна для точного перевода двоичного кода в значения напряжения, достигается правильным проектированием АЦП и окружающих его аналоговых цепей.

Время установления– это время, необходимое усилителю, реле или другим электрическим цепям для достижения устойчивого режима работы. Измерительный усилитель при оцифровке нескольких каналов на больших скоростях и при большом усилении, чаще всего, не успевает устанавливать постоянные значения параметров. При таких условиях усилителю трудно справляться с большими перепадами напряжения, которые могут возникнуть при переключении мультиплексора на другой канал. Как правило, чем больше усиление и чем меньше время переключения между каналами, тем менее вероятно, что усилитель быстро достигнет устойчивого режима. На самом деле, ни один из коммерчески доступных усилителей с регулируемым усилением не может достичь 12-битной точности за время менее 2 мкс при коэффициенте усиления равным 100. Компания NI разработала инструментальный усилитель NI-PGIA специально для приложений сбора данных, поэтому приборы, которые используют NI-PGIA, могут работать в устойчивом режиме при высоких скоростях оцифровки и больших усилениях.

Шум– это ненужные компоненты сигнала, появляющиеся при оцифровке сигнала устройством СД. Поскольку ПК является достаточно шумной цифровой средой, сбор данных на встраиваемых в ПК приборах требует от разработчиков тщательного просчёта расположения элементов на многослойной плате. Если просто поместить АЦП, усилитель и цепь управления шиной на одно- или двухслойной плате, получится очень сильно шумящий прибор. Для уменьшения шума в устройствах сбора данных разработчики используют методику экранирования металлом. Надлежащая экранировка должна присутствовать не только у чувствительных аналоговых частей прибора, но также встраиваться в «земляные» слои платы.

На рисунке 4 изображён график постоянного шума, который был получен с помощью платы сбора данных при входном диапазоне сигнала ±10 В и усилении 10. Можно показать, что 1 МЗР = 31 мкВ, т.е. уровень шума 20 МЗР эквивалентен 620 мкВ шума. На рисунке 6 приведены графики шума двух устройств СД, в которых установлены одинаковые АЦП. Два параметра устройства СД могут быть определены из этих графиков – диапазон шума и его распределение. График на рисунке 6(а), который был измерен на приборе PCI-6030E компании National Instruments, имеет плотное распределение отсчётов на 0 и очень малое число точек на других кодах. Распределение гауссовское, как и должно быть у случайного шума. Из графика видно, что пик шума лежит в диапазоне ±3 МЗР. График на рисунке 6(b), измеренный на очень шумном устройстве СД производства конкурирующей компании, имеет совсем другое распределение. Шум прибора составляет больше 20 МЗР, причём многие отсчёты лежат далеко от ожидаемой величины.

Поскольку встраиваемые в ПК приборы сбора данных устроены очень сложно, они могут существенно различаться в точности. Компания NI прикладывает все усилия к тому, чтобы делать очень точные устройства, зачастую даже более точные, чем автономные приборы. Точность приборов NI указывается в их технических спецификациях. Относитесь с осторожностью к платам, которые специфицированы не полностью, опущенные параметры как раз могут быть источником неточных измерений. Учитывая при выборе не только разрешение АЦП, но и другие параметры аналоговых входов, можно быть уверенным в достаточной точности прибора сбора данных для решения определённой задачи.

Рисунок 4 – Сигнал на входе измерительного усилителя, который мультиплексирует 40 каналов с постоянными сигналами, оказался высокочастотным переменным сигналом

Рисунок 5 – Графики шума двух устройств СД с одинаковыми 16-битными АЦП, но с существенно различными параметрами шума. Рис. 5(a) соответствует прибору NI AT-MIO-16XE-10; а рис. 5(b) – устройству СД производства конкурирующей компании.

Аналоговый вывод

Аналоговый вывод часто используется для задания внешнего воздействия на контрольно-измерительную систему. Качество выходного сигнала при этом определяется несколькими характеристиками цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП): временем установления, скоростью нарастания выходного напряжения и выходным разрешением.

Время установления– это время, необходимое для установления с заданной точностью на аналоговом выходе устройства сигнала определённой величины. Время установления обычно указывается для изменения величины выходного напряжения от минимального до максимального значения. Более подробную информацию о времени установления можно найти в разделе Аналоговый ввод.

Скорость нарастания выходного напряжения– максимальная скорость изменения выходного сигнала, которую может достичь ЦАП. Время установления и скорость нарастания выходного напряжения определяют то, как быстро ЦАП может изменить амплитуду выходного сигнала. Таким образом, ЦАП с маленьким временем установления и с высокой скоростью нарастания может генерировать высокочастотные сигналы, поскольку на изменение уровня выходного напряжения с заданной точностью ему требуется меньше времени.

Примером приложения, где требуются хорошие вышеуказанные параметры, является задача генерации высокочастотных акустических сигналов. С другой стороны, в источнике напряжения для управления нагревательным элементом быстрого цифро-аналогового преобразования не требуется, поскольку температура не сможет очень быстро реагировать на измерения напряжения.

Выходное разрешение– как и в случае аналогового ввода данный параметр определяет количество разрядов в цифровом коде, который используется для генерации аналогового сигнала. Чем выше разрядность ЦАП, тем меньше инкремент напряжения, и тем более гладкий сигнал получается на выходе генератора. В приложениях, в которых требуется широкий динамический диапазон с маленьким инкрементом напряжения для выходного аналогового сигнала, следует использовать ЦАП с высоким разрешением.

Цифровые триггеры

Во многих приложениях начало и прекращение сбора данных следует осуществлять по какому-либо внешнему событию. Цифровые триггеры служат для синхронизации процедур сбора данных и генерации сигналов с внешними цифровыми импульсами. Аналоговые триггеры, которые используются в основном в операциях аналогового ввода, запускают и останавливают операции сбора данных при достижении входным сигналом определённого аналогового уровня напряжения при заданной полярности. Драйвер NI-DAQ поможет вам быстро и легко сконфигурировать параметры синхронизации для одного или нескольких измерительных приборов.