Кіріспе
Сенсорлардан сигналдарды іріктеу және цифрлық деректерге түрлендіру процесі. Деректерді алу – нақты әлемдегі физикалық жағдайларды өлшейтін сигналдарды іріктеу және нәтижедегі үлгілерді компьютермен өңдеуге болатын цифрлық сандық мәндерге түрлендіру процесі. Деректерді алу жүйелері, DAS, DAQ немесе DAU аббревиатураларымен белгіленеді, әдетте аналогтық сигналдарды өңдеу үшін цифрлық мәндерге түрлендіреді. Деректерді алу жүйелерінің құрамдас бөліктері: физикалық параметрлерді электр сигналдарына түрлендіретін сенсорлар; сенсор сигналдарын цифрлық мәндерге түрлендіруге қолайлы форматқа келтіретін сигналды дайындау тізбегі; дайындалған сенсор сигналдарын цифрлық мәндерге түрлендіретін аналогты-цифрлық түрлендіргіштер. Деректерді алу қолданбалары әдетте Assembly, BASIC, C, C++, C#, Fortran, Java, LabVIEW, Lisp, Pascal сияқты әртүрлі мақсаттағы бағдарламалау тілдерінде жасалған бағдарламалық қамтамасыз етумен басқарылады. Жеке деректерді алу жүйелері көбінесе дерек тіркегіштер деп аталады. Сондай-ақ, әртүрлі, көбінесе арнайы аппараттық құралдардан деректерді алу үшін қажетті құралдарды ұсынатын ашық кодты бағдарламалық пакеттер де бар. Бұл құралдар ғылыми қауымдастықтан келеді, мұнда күрделі эксперименттерге жылдам, икемді және бейімделетін бағдарламалық қамтамасыз ету қажет. Бұл пакеттер көбінесе жекешелендірілген, бірақ Maximum Integrated Data Acquisition System сияқты DAQ пакеттерін оңай бейімдеуге болады және олар бірнеше физикалық эксперименттерде қолданылады.
Data acquisition is the process of sampling signals that measure real world physical conditions and converting the resulting samples into digital numeric values that can be manipulated by a computer. Data acquisition systems, abbreviated by the acronyms DAS, DAQ, or DAU, typically convert analog waveforms into digital values for processing. The components of data acquisition systems include:
Sensors, to convert physical parameters to electrical signals. Signal conditioning circuitry, to convert sensor signals into a form that can be converted to digital values. Analog to digital converters, to convert conditioned sensor signals to digital values. Data acquisition applications are usually controlled by software programs developed using various general purpose programming languages such as Assembly, BASIC, C, C++, C#, Fortran, Java, LabVIEW, Lisp, Pascal, etc. Stand alone data acquisition systems are often called data loggers. There are also open source software packages providing all the necessary tools to acquire data from different, typically specific, hardware equipment. These tools come from the scientific community where complex experiment requires fast, flexible, and adaptable software. Those packages are usually custom fit but more general DAQ packages like the Maximum Integrated Data Acquisition System can be easily tailored and are used in several physics experiments.
Тарих
1963 жылы IBM компаниясы деректерді жинауға маманданған компьютерлерді шығарды. Оларға IBM 7700 деректерді жинау жүйесі және оның ізбасары IBM 1800 деректерді жинау және басқару жүйесі кіреді. Бұл қымбат, арнайы жүйелер 1974 жылы Tecmar/Scientific Solutions Inc. компаниясы шығарған S 100 жалпы мақсаттағы компьютерлерімен және деректерді жинау карточкаларымен басып озды. 1981 жылы IBM IBM Personal Computer, ал Scientific Solutions алғашқы дербес компьютерлік деректерді жинау өнімдерін ұсынды.
Ақпарат көздері мен жүйелері
Деректерді алу өлшенетін физикалық құбылыс немесе физикалық қасиеттен басталады. Мысалдарға температура, діріл, жарық интенсивтілігі, газ қысымы, сұйық ағыны және күш жатады. Өлшеуге жататын физикалық қасиеттің түріне қарамастан, деректерді алу жүйесімен үлгіленетін бірыңғай форматқа физикалық күйді алдымен түрлендіру қажет. Мұндай түрлендіруді жүзеге асыру сенсорлар деп аталатын құрылғылардың міндеті болып табылады. Деректерді алу жүйесі – нақты әлемдегі объектінің физикалық сипаттамаларын өлшеуге немесе басқаруға мүмкіндік беретін бағдарламалық және аппараттық құралдар жиынтығы. Толық деректерді алу жүйесі DAQ аппараттық құралдарынан, сенсорлар мен атқарушы механизмдерден, сигналды кондиционирлеу аппараттық құралдарынан және DAQ бағдарламалық жасақтамасын іске қосатын компьютерден тұрады. Егер уақытты синхрондау қажет болса (мысалы, оқиға режиміндегі DAQ жүйелері үшін), жеке өтетін таратылған уақытты синхрондау жүйесі қажет. Сенсор – трансдуктордың бір түрі болып табылады және физикалық қасиетті сәйкес келетін электр сигналына (мысалы, деформация өлшегіш, терморезистор) түрлендіретін құрылғы. Әртүрлі қасиеттерді өлшеуге арналған алу жүйесі сол қасиеттерді анықтауға жарамды сенсорларға байланысты. Трансдуктордан келетін сигнал қолданылып жатқан DAQ аппараттық құралдарына сәйкес келмесе, сигналды кондиционирлеу қажет болуы мүмкін. Көп жағдайда сигналды сүзгілеу, пішіндеу немесе күшейту қажеттілігі туындайды. Сигналды кондиционирлеудің басқа мысалдарына сенсорға ток немесе кернеумен қуат беру, оқшаулау және сызықтық түзету жатады. Тарату үшін шуға осал аналогтық сигналдарды дифференциалдық сигналдарға түрлендіруге болады. Цифрлық форматқа келтірілгеннен кейін сигналды кодтау арқылы тарату қателерін азайту және түзету мүмкін.
DAQ жабдықтары
DAQ жабдықтары сигнал мен компьютер арасындағы интерфейс қызметін атқарады. Олар компьютер порттарына (параллельді, тізбекті, USB және т.б.) қосылатын модульдер немесе PC негізгі платасындағы слоттарға (S 100 шинасы, AppleBus, ISA, MCA, PCI, PCI E және т.б.) немесе модульдік корпусқа (CAMAC, NIM, VME) қосылатын карталар түрінде болуы мүмкін. Кейде адаптерлер қажет болуы мүмкін, онда сыртқы қосымша блок қолданылуы мүмкін. DAQ карталарында көбінесе бірнеше компонент (мультиплексор, АЦҚ, ЦАҚ, TTL кіріс-шығысы, жоғары жылдамдықты таймерлер, жедел жад) болады. Оларға микробасқарушы арқылы қол жеткізуге болады, ол шағын бағдарламаларды орындай алады. Бақылаушы аппараттық логикаға қарағанда икемдірек, бірақ процессордан арзан болғандықтан, оны қарапайым сұрау циклымен тоқтатуға болады. Мысалы: триггер күту, АЦҚ-ны іске қосу, уақытты анықтау, АЦҚ аяқталуын күту, мәнді жедел жадқа көшіру, мультиплексорды ауыстыру, TTL кірісін алу, ЦАҚ-қа кернеуді өзгертуге рұқсат беру. Бүгінде кейбір сенсорлар мен деректерді жинау жүйелерінен сигналдарды Bluetooth арқылы жіберуге болады.
Waiting for a trigger, starting the ADC, looking up the time, waiting for the ADC to finish, move value to RAM, switch multiplexer, get TTL input, let DAC proceed with voltage ramp. Today, signals from some sensors and Data Acquisition Systems can be streamed via Bluetooth.
DAQ құрылғы драйверлері
DAQ құрылғысының драйверлері DAQ аппараттық құралының дерлік кез келген компьютермен жұмыс істеуі үшін қажет. Драйвер аппараттық құралда төменгі деңгейдегі регистрлерге жазу және оқу операцияларын жүзеге асырып, сонымен қатар пайдаланушы бағдарламаларын жасау үшін API-ды қолжеткізеді.
DAQ бағдарламалық жасақтамасы
DAQ жабдығымен бірге арнайы деректерді жинау бағдарламалық жасақтамасы келген болуы мүмкін. Ірі масштабты деректерді жинау жүйелерін құруға қолданылатын бағдарламалық құралдардың ішінде EPICS бар. DAQ қолданбаларын жасау үшін қолданылатын басқа да бағдарламалау орталарына баспалдақ логикасы, Visual C++, Visual Basic, LabVIEW және MATLAB кіреді.