Введение
Процесс выборки сигналов от датчиков и их преобразования в цифровые данные.
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.
Сбор данных – это процесс выборки сигналов, измеряющих физические условия реального мира, и преобразования полученных выборок в цифровые числовые значения, которые может обрабатывать компьютер. Системы сбора данных, обозначаемые аббревиатурами DAS, DAQ или DAU, обычно преобразуют аналоговые сигналы в цифровые значения для обработки. Компоненты систем сбора данных включают в себя: датчики для преобразования физических параметров в электрические сигналы; схемы кондиционирования сигнала для преобразования сигналов датчиков в форму, пригодную для цифрового преобразования; аналого-цифровые преобразователи для преобразования кондиционированных сигналов датчиков в цифровые значения. Приложения для сбора данных обычно управляются программным обеспечением, разработанным на различных языках программирования общего назначения, таких как Assembly, BASIC, C, C++, C#, Fortran, Java, LabVIEW, Lisp, Pascal и др. Автономные системы сбора данных часто называют регистраторами данных. Существуют также программные пакеты с открытым исходным кодом, предоставляющие все необходимые инструменты для сбора данных с различного, как правило, специализированного аппаратного обеспечения. Эти инструменты разработаны научным сообществом, где сложные эксперименты требуют быстрого, гибкого и адаптируемого программного обеспечения. Эти пакеты обычно настраиваются под конкретные задачи, но более универсальные пакеты DAQ, такие как Maximum Integrated Data Acquisition System, могут быть легко адаптированы и используются в различных физических экспериментах.
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.
История
В 1963 году IBM выпустила компьютеры, специализирующиеся на сборе данных. К ним относятся система сбора данных IBM 7700 и ее преемник, система сбора данных и управления IBM 1800. Эти дорогостоящие специализированные системы в 1974 году были превзойдены компьютерами S 100 общего назначения и платами сбора данных, производимыми компанией Tecmar/Scientific Solutions Inc. В 1981 году IBM представила IBM Personal Computer, а Scientific Solutions – первые продукты для сбора данных для ПК.
Источники и системы
Сбор данных начинается с физического явления или физического свойства, подлежащего измерению. Примеры включают температуру, вибрацию, интенсивность света, давление газа, расход жидкости и силу. Независимо от типа измеряемого физического свойства, физическое состояние, которое необходимо измерить, должно быть сначала преобразовано в унифицированную форму, которую может обработать система сбора данных. Задача выполнения таких преобразований возлагается на устройства, называемые датчиками. Система сбора данных – это совокупность программного и аппаратного обеспечения, позволяющая измерять или контролировать физические характеристики объектов реального мира. Полная система сбора данных состоит из аппаратного обеспечения DAQ, датчиков и исполнительных механизмов, оборудования для обработки сигнала и компьютера с программным обеспечением DAQ. Если требуется синхронизация (например, для систем DAQ в событийном режиме), необходима отдельная компенсированная распределенная система синхронизации. Датчик, являясь типом преобразователя, представляет собой устройство, преобразующее физическое свойство в соответствующий электрический сигнал (например, тензодатчик, термистор). Система для измерения различных свойств зависит от датчиков, подходящих для обнаружения этих свойств. Обработка сигнала может потребоваться, если сигнал от преобразователя не соответствует используемому аппаратному обеспечению DAQ. В большинстве случаев сигнал может потребоваться отфильтровать, сформировать или усилить. Другие примеры обработки сигнала включают достраивание моста, обеспечение датчика током или напряжением возбуждения, гальваническую развязку и линеаризацию. Для целей передачи односторонние аналоговые сигналы, более подверженные шумам, могут быть преобразованы в дифференциальные сигналы. После оцифровки сигнал может быть закодирован для уменьшения и исправления ошибок передачи.
Аппаратное обеспечение DAQ
Аппаратное обеспечение DAQ обычно служит интерфейсом между сигналом и ПК. Оно может быть представлено модулями, подключаемыми к портам компьютера (параллельные, последовательные, USB и т. д.), или картами, подключаемыми к слотам (S 100 bus, AppleBus, ISA, MCA, PCI, PCI E и т. д.) на материнской плате ПК или в модульном блоке (CAMAC, NIM, VME). Иногда требуются адаптеры, для чего можно использовать внешний разветвительный бокс. Карты DAQ часто содержат несколько компонентов (мультиплексор, АЦП, ЦАП, TTL-входы/выходы, высокоскоростные таймеры, ОЗУ). Доступ к ним осуществляется через шину микроконтроллером, который может выполнять небольшие программы. Контроллер более гибок, чем жесткая логика, но дешевле, чем процессор, поэтому допустимо блокировать его простыми циклами опроса. Например: ожидание триггера, запуск АЦП, определение времени, ожидание завершения работы АЦП, перемещение значения в ОЗУ, переключение мультиплексора, получение TTL-сигнала, разрешение ЦАП продолжить формирование выходного напряжения. В настоящее время сигналы от некоторых датчиков и систем сбора данных могут передаваться по Bluetooth.
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.
Драйверы устройств DAQ
Драйверы устройств сбора данных (DAQ) необходимы для работы аппаратного обеспечения сбора данных с ПК. Драйвер выполняет операции записи и чтения регистров низкого уровня на аппаратном обеспечении, предоставляя при этом API для разработки пользовательских приложений в различных программных средах.
Программное обеспечение DAQ
Специализированное программное обеспечение для сбора данных может поставляться вместе с аппаратным обеспечением для сбора данных. Программные инструменты, используемые для создания масштабных систем сбора данных, включают EPICS. Среди других сред программирования, применяемых для разработки приложений сбора данных, можно выделить лестничную логику, Visual C++, Visual Basic, LabVIEW и MATLAB.