Kompaktin tiedonkeruujärjestelmän rakentaminen

Tiedonkeruu (data acquisition, DAQ) on tärkeä toiminto monenlaisissa tutkimus- ja suunnittelutehtävissä esimerkiksi suunnitelman validoinnista ja varmennuksesta aina nopeutettuun elinikä- ja tuotantotestaukseen saakka. DAQ-järjestelmän keskeiset elementit ovat yksinkertaisia – antureita, mittauslaitteita ja ohjelmistoja – mutta toteutus voi olla monimutkainen.

Järjestelmällä saatetaan joutua mittaamaan monenlaisia fyysisiä ilmiöitä, joten sen täytyy olla joustava ja skaalautuva, mutta myös kestävä ja luotettava. Kustannuksetkin täytyy aina ottaa huomioon. DAQ-järjestelmän määrittely ja rakentaminen onkin monitahoinen tehtävä. Jos järjestelmä määritellään liian tarkaksi, se on kallis ja kenties hankala käyttää. Liian kevyeksi määritelty järjestelmä ei suoriudu nykyisistä tai tulevista tehtävistä. Suunnittelijat voivat ratkaista tämän pulman toteuttamalla järjestelmän moduulirakenteisena ja valita aluksi kestävän, suorituskykyisen rungon, jossa on useita laajennuspaikkoja ajan mittaan mahdollisesti tarvittavan prosessointikyvyn, ominaisuuksien ja liitosvaihtoehtojen lisäämiseen.

Tässä artikkelissa käsitellään erilaisia DAQ-järjestelmän suorituskykymittareita, jotka teknisten määritysten tekijöiden on syytä tuntea, kuten analogisten signaalien digitointia, Nyquistin näytteenottoteoreemaa ja laskostumista, tuloalueita, näytteenottotaajuuksia ja multipleksatun sekä samanaikaisen näytteenoton eroja. Sen jälkeen artikkelissa esitellään National Instrumentsin CompactDAQ-runkoon, analogisiin ja digitaalisiin I/O-moduuleihin sekä ohjelmistokomponentteihin perustuva moduulirakenteinen ratkaisu sekä siihen liittyvät kehitysympäristövaihtoehdot, ajurit ja analysointi- sekä raportointityökalut.

DAQ-vaatimukset ja suorituskykymittarit

Kuten edellä todetaan, perustasoinen DAQ sisältää anturit, signaalin parannuksen, analogia-digitaalimuuntimet (ADC), prosessorit sekä tarvittavat ohjelmistot (kuva 1). Suunnittelijan tehtävänä on sovittaa järjestelmän elementit mittaus- ja analysointitarpeeseen sekä pitää kustannukset ja asennusaika kurissa.

Kuva 1: DAQ-järjestelmät koostuvat antureista, DAQ-mittauslaitteista, jotka huolehtivat myös signaalin parannuksesta ja datan muuntamisesta, sekä laskentaresursseista, kuten ajureista ja sovellusohjelmistosta. (Kuvan lähde: NI)

Elementtien yhteensovittamisen kannalta on tärkeää ymmärtää, että tarkkuus, signaalin amplitudi ja signaalitaajuus ovat DAQ-järjestelmän olennaiset parametrit, sillä ne määrittävät mittauksen resoluution, alueen ja nopeuden. Resoluutio on monissa sovelluksissa tärkein ominaisuus. Resoluutio määrittää käytettävissä olevien mittausarvojen lukumäärän. Esimerkiksi laite, jonka resoluutio on 3 bittiä, pystyy mittaamaan 8 arvoa (2³), kun taas resoluutioltaan 6-bittinen laite voi mitata 64 (2⁶) arvoa (kuva 2). Suurempi resoluutio tarkoittaa, että mittaustulokset edustavat signaalia paremmin.

Kuva 2: DAQ-laitteen resoluutio kuvaa sen tarkkuutta: 6-bittinen resoluutio tarjoaa 3-bittiseen resoluutioon verrattuna 8-kertaisen määrän informaatiota (eli se on 8 kertaa tarkempi). (Kuvan lähde: NI)

Tietty AD-muunnin määritetään mittaamaan tiettyä tuloaluetta, kuten ±10 volttia, ja DAQ-laitteen resoluutio koskee koko aluetta. Jos mittausalue on pienempi, esimerkiksi ±2 volttia, tuloksena on vain osa (tässä tapauksessa noin 20 %) DAQ-laitteen resoluutiosta (kuva 3). Tämä ongelma voidaan ratkaista käyttämällä DAQ-laitetta, jonka tuloalueet voi valita. Yleisiä tuloalueita ovat ±10 volttia, ±5 volttia, ±1 voltti ja ±0,2 volttia. Mittauksen laatua voidaan parantaa skaalaamalla tuloalue signaalin arvoalueen mukaan.

Kuva 3: Tarkkuus heikkenee huomattavasti, jos DAQ-laitetta, jonka resoluutio on 3 bittiä ja mittausalue ±10 volttia (punaiset viivat vasemmalla ja keltaiset katkoviivat alueen ylä- ja alareunassa), käytetään ±2 voltin signaalin mittaukseen (valkoinen siniaalto). (Kuvan lähde: NI)

Näytteenottotaajuus, Nyquist ja ylinäytteistys

Näytteenottotaajuus on taajuus, jolla AD-muunnin muuntaa analogisen tulon digitaaliseksi dataksi. Näytteenottotaajuus ja resoluutio voivat olla käänteisessä suhteessa toisiinsa. Suurempia näytteenottotaajuuksia voidaan usein saavuttaa vain vähentämällä resoluutiobittejä, koska suurempi näytteenottotaajuus tarkoittaa, että AD-muuntimella on vähemmän aikaa digitoida signaali. Näytteenottotaajuuden optimointi onkin tärkeää.

Tässä on apua Nyquistin näytteenottoteoreemasta, jonka mukaan alkuperäisen signaalin taajuus voidaan mitata tarkasti näytteenottotaajuudella f_s, joka on suurempi kuin kaksi kertaa alkuperäisen signaalin suurin taajuus. Tätä sanotan Nyquist-taajuudeksi f_N. Alkuperäisen signaalin muodon ja taajuuden tarkka mittaus vaatii Nyquistin teoreeman mukaan, että f_s on 5–10 kertaa signaalin suurin taajuus. Taajuutta f_N suuremman näytteenottotaajuuden käyttöä sanotaan ylinäytteistykseksi.

f_N-taajuuden ymmärtäminen edellyttää laskostumisen ja haamukuvien haasteiden ymmärtämistä f_s-taajuuden optimoinnissa. Laskostumisilmiö aiheuttaa näytejonosignaalin spektriin vääristymän, jos näytteenottotaajuus on liian pieni suuritaajuisen sisällön tarkkaan mittaamiseen. Laskostuminen voidaan välttää ylinäytteistyksen avulla. Ylinäytteistys auttaa myös keräämään nopeiden signaalien reunoja, kertaluontoisia tapahtumia sekä transientteja. Jos f_s on kuitenkin liian suuri, multipleksatun näytteistyksen aikana voi muodostua haamukuvia.

Kunkin tulokanavan asettumisajasta tulee tärkeä käytettäessä korkeaa multipleksattua näytteenottotaajuutta. Haamuja muodostuu, jos näytteenottotaajuus ylittää DAQ-laitteen asettumisajan. Naapurikanavien signaalit häiritsevät silloin toisiaan ja muodostavat haamuja ja virheellisiä mittaustuloksia (kuva 4).

Kuva 4: Vasemmanpuoleisessa kuvassa näytteenottotaajuus on riittävän alhainen, jotta kanavien 0 (punainen) ja 1 (sininen) mittaukset ehtivät asettua. Oikeanpuoleisessa kuvassa muodostuu haamukuva, koska näytteenottotaajuus on liian korkea ja kanava 0 vaikuttaa kanavan 1 mittaukseen. (Kuvan lähde: NI)

DAQ-laitteen todelliseen näytteenottotaajuuteen vaikuttaa myös se, käytetäänkö samanaikaista vai multipleksattua näytteistystä. Samanaikaisessa näytteenotossa käytetään yhtä AD-muunninta tulokanavaa kohden, jolloin koko näytteenottotaajuus on käytettävissä kaikilla kanavilla kanavien määrästä riippumatta (kuva 5).

Samanaikaista näytteenottoa käyttämällä useita näytteitä voidaan mitata samanaikaisesti. Samanaikainen arkkitehtuuri on melko kallis ja siihen tarvitaan enemmän komponentteja, mikä saattaa rajoittaa yhdessä DAQ-laitteessa käytettävissä olevien kanavien määrää. Multipleksatussa arkkitehtuurissa yksi AD-muunnin jaetaan kanavointilaitteen avulla kaikille kanaville, mikä laskee korkeinta kutakin kanavaa kohden käytettävissä olevaa näytteenottotaajuutta. Näytteet mitataan peräkkäin ja mittaus keskeytetään siirryttäessä kanavalta toiselle. Multipleksattu arkkitehtuuri on edullisempi ja sillä voidaan toteuttaa kanavatiheydeltään korkeampi DAQ-laite.

Kuva 5: Samanaikainen näytteenotto tarjoaa täyden mittausnopeuden kaikille kanaville. Multipleksatussa näytteenotossa näytteenottotiheys jaetaan kanavien kesken, jolloin kunkin kanavan näytetiheys laskee. (Kuvan lähde: NI)

Kompaktin DAC-järjestelmän rakentaminen

DAC-järjestelmän rakentaminen alkaa CompactDAQ -rungon valinnasta. Runkoja on saatavana erilaisilla tiedonsiirtoväylillä, kuten PCI ja PCI Express (PCIe), High-Speed USB, PXI ja PXI Express (PXIe) sekä Ethernet 2.0. Laajennuspaikkojen määrä vaihtelee yhdestä NI:n C-sarjan I/O-moduulien 14 paikkaan. Esimerkiksi 781156-01 tarjoaa kahdeksan laajennuspaikkaa ja USB 2.0 ‑liitännän (kuva 6). Järjestelmään voidaan lisätä uusia mittaustyyppejä ja ‑kanavia yksinkertaisesti lisäämällä runkoon moduuleja. Laite tunnistaa moduulit automaattisesti ja tahdistaa ne rungon äitilevyn kellon kanssa.

Kuva 6: 781156-01 CompactDAQ ‑rungossa on kahdeksan laajennuspaikkaa ja nopea USB 2.0 ‑liitäntä. (Kuvan lähde: NI)

Tiedonsiirtoväylä on tärkeä osa rungon teknisiä tietoja (taulukko 1). USB:n tarjoama 60 megabittiä sekunnissa (Mbits/s) on riittävä nopeus useimpiin sovelluksiin, ja USB on erittäin joustava ja helposti siirrettävissä. Ethernet tukee pidempiä kaapeleita ja hajautettuja DAQ-järjestelmiä fyysiseltä kooltaan suuremmissa sovelluksissa. PCI- ja PCIe-väylät mahdollistavat laitteen kytkemisen tietokoneeseen datan kirjausta ja analysointia varten. PXI- ja PXIe-väylät muistuttavat PCI- ja PCIe-väyliä, mutta niiden synkronointikyky on ylivoimaisesti parempi, joten niiden kautta voidaan konsolidoida ja vertailla suuria datamääriä.

Taulukko 1: DAQ-tiedonsiirtoväylän valinta on tärkeä osa rungon valintaa. Väylä täytyy valita tarvittavien datasiirtonopeuksien, välimatkojen ja siirrettävyystarpeen mukaan. (Kuvan lähde: NI)

Rungon valinnan jälkeen suunnittelijat voivat valita mittaukseen, ohjaukseen ja tiedonsiirtoon tarvittavat ratkaisut yli 60:sta C-sarjan moduulista. Saatavana on C-sarjan moduuleja, jotka voi yhdistää käytännössä mihin tahansa anturiin tai väylään. Ne mahdollistavat erittäin tarkan mittauksen, joka täyttää DAQ- ja ohjaussovellusten vaatimukset (kuva 7). Nämä moduulit voidaan kytkeä järjestelmän virtaa katkaisematta ja ne tarjoavat mittauskohtaisen signaalin parannuksen ja suodattavat pois häiriöitä sekä eristävät datan, suorittavat analogi-digitaalimuunnoksen ja tarjoavat käyttöön erilaisia tuloliittimiä.

Kuva 7: C-sarjan moduulit ovat keskenään samankokoisia. Ne voi kytkeä virtaa katkaisematta mihin tahansa CompactDAQ-runkoon, ja saatavana on useita erilaisia tuloliittimiä erilaisten sovellusten tarpeisiin. (Kuvan lähde: NI)

C-sarjan moduuleita voidaan käyttää muun muassa seuraaviin DAQ- ja ohjaustehtäviin:

• Analogisissa tulomoduuleissa on jopa 16 kanavaa, jotka voidaan kytkeä jännite-, virta- ja yleisantureihin esimerkiksi lämpötilan, melun, muodonmuutoksen, paineen, kuormituksen ja tärinän mittausta varten.
  • NI 9239 on nelikanavainen yleiskäyttöinen analoginen tulomoduuli. Jokaisen kanavan mittausalue on ±10 volttia ja resoluutio 24 bittiä. Lähdön kautta saadaan suurimmalla näytteenottotaajuudella dataa 50 tuhatta näytettä sekunnissa (kS/s).
• Analogisista lähtömoduuleista on saatava 2-, 4- ja 16-kanavaisia versioita. Niitä voidaan käyttää jännitesignaalien tuottamiseen ja teollisten virtaohjattujen toimilaitteiden ohjaukseen.
  • NI 9263 on nelikanavainen analoginen lähtömoduuli, jossa on NIST-jäljitettävä kalibrointi sekä ylijännitesuojaus ja oikosulkusuojaus. Laite tarjoaa korkean muuttumisnopeuden ja tarkkuuden.
• Digitaalisia tulo- ja lähtömoduuleja voidaan käyttää digitaalisten signaalien generoimiseen ja lukemiseen. Saatavana on 4-, 6-, 8-, 16- ja 32-kanavaisia digitaalisia tulomoduuleja sekä 8-, 16- ja 32-kanavaisia lähtömoduuleja ja kaksisuuntaisia moduuleja.
  • NI 9423 on kahdeksankanavainen digitaalinen tulomoduuli, joka on yhteensopiva 24 voltin signaalien kanssa. Se on suunniteltu käytettäväksi teollisten logiikkatasojen kanssa sekä erilaisten teollisuuskytkimien, muuntimien, anturien ja muiden laitteiden suoraan kytkentään.
  • NI 9472 on kahdeksankanavainen digitaalinen lähtömoduuli, joka on yhteensopiva 6–30 voltin signaalien kanssa. Se voidaan kytkeä suoraan monenlaisiin teollisuuslaitteisiin, kuten toimilaitteisiin, releisiin ja moottoreihin.

Ohjelmistointegraatio

Ohjelmisto on kompaktin DAQ-järjestelmän rakentamisen viimeinen vaihe. NI-DAQmx-ohjelmistorajapinta (API) toimii suoraan useiden kehitysvaihtoehtojen kanssa, esimerkkeinä LabVIEW, C, C# ja Python. API tukee kaikkien NI DAQ ‑laitteiden sujuvaa yhteistoimintaa ja vähentää laitteistopäivityksistä ja laitevaihdoista johtuvaa uudelleenkehittämistyötä. Sen kautta voidaan käyttää dokumentaatiota, ohjetiedostoja ja lukuisia käyttövalmiita ohjelmistoesimerkkejä, joilla sovelluskehityksen saa nopeasti alkuun.

Kehittäjät voivat valita minkä tasoista ohjelmointia projektissa tarvitaan (kuva 8). Datan FlexLogger-kirjausohjelmisto tarjoaa intuitiivisen anturikohtaisen konfigurointien kehitysympäristön, jonka voi integroida NI LabVIEW -ympäristön kanssa räätälöityä analysointia varten. LabVIEW mahdollistaa laitteiston konfiguroinnin interaktiivisten analyysipaneelien tai monipuolisen ohjelmointiympäristön kautta. Kokeneet kehittäjät voivat käyttää useimpia ohjelmointikieliä räätälöintiin ja suorituskyvyn määritykseen suoraan DAQmx-ohjelmointirajapinnassa.

Kuva 8: Vuokaavio DAQ-ohjelmiston valinnasta näyttää, miten kehittäjät voivat valita kuhunkin projektiin haluamansa ohjelmoinnin tason. (Kuvan lähde: NI)

Yhteenveto

DAQ-järjestelmän suunnittelu alusta alkaen on monimutkainen tehtävä. Anturien, signaalin parannuksen, prosessoinnin, I/O:n ja ohjelmiston on täytettävä tehtävän vaatimukset, ja lisäksi niihin täytyy pystyä tekemään ajan mittaan muutoksia ja päivityksiä. Suunnittelijoiden ei tarvitse nitoa eri elementtejä yhteen käsin, vaan he voivat hyödyntää moduulirakennetta ja suunnitella nopeasti ja tehokkaasti DAQ-järjestelmän, joka sisältää anturit, laitteiston ja ohjelmiston. Kaikkia osia voidaan vaihtaa sovelluksen vaatimusten muuttuessa ajan mittaan.

Tässä artikkelissa esitetty lähestymistapa tukee myös useita tiedonsiirtoväyliä, kuten PCI ja PCIe, High-Speed USB, PXI ja PXIe, joilla voidaan vastata erilaisten järjestelmien tarpeisiin. Sen virtaa katkaisematta kytkettävät moduulit parantavat mittauskohtaisia signaaleja ja suodattavat pois häiriöitä sekä eristävät dataa, suorittavat analogi-digitaalimuunnoksen ja tarjoavat käyttöön erilaisia tuloliittimiä. Tämän joustavan ratkaisun voi myös integroida useisiin mittausohjelmistoihin, esimerkkeinä LabVIEW, C, C# ja Python.

Suositeltavaa luettavaa

1. Miten suunnitella yleiskäyttöinen monikanavainen tiedonkeruujärjestelmä