如何搭建紧凑型数据采集系统

作者：Jeff Shepard

从设计确认和验证到加快寿命和生产测试的速度，数据采集 (DAQ) 是各种研究和工程设计活动中的一项关键功能。虽然 DAQ 系统的关键元素很简单：传感器、测量硬件和软件；但除此之外，事情可能变得相当复杂。

系统可能需要测量各种各样的物理现象，因此必须非常灵活且可扩展，同时还要坚固、可靠，而且成本始终是一个考虑因素。因此，要指定 DAQ 系统规格并搭建系统，这一过程非常复杂。如果系统规格过高，成本就会很高，而且使用起来可能很麻烦。如果规格不足，则无法适应当前或未来的任务。为了解决这一难题，设计人员可以采取模块化的方法，即先使用带有多个插槽的高性能坚固机箱，然后随着时间的推移，增加所需的处理性能、功能和连接选件。

本文将介绍规格设计人员需要了解的 DAQ 系统性能指标，包括模拟信号的数字化、奈奎斯特采样定理和混叠、输入范围、采样率，以及多路复用采样与同步采样。然后展示一种基于 National Instruments 的 CompactDAQ 机箱、模拟和数字 I/O 模块及软件组件（包括开发环境选项、驱动程序和分析/报告工具）的模块化方法。

DAQ 的要求和性能指标

如前所述，一个基本的 DAQ 包括传感器、信号调节、模数转换器 (ADC)、处理器和相关的软件（图 1）。设计人员的任务是根据所测量和分析的内容来匹配系统元素，同时控制成本和设置时间。

图 1：DAQ 系统由传感器、提供信号调节和数据转换的 DAQ 测量设备以及包括驱动程序和应用软件的计算资源组成。（图片来源：NI）

为了匹配这些元素，需要认识到精度、信号幅度和信号频率是 DAQ 系统的基本参数，这一点非常重要。这些参数分别转换为测量分辨率、量程和速率。在许多应用中，分辨率是最重要的考虑因素。分辨率定义了可用测量值的数量。例如，具有 3 位分辨率的设备可以测量 8 (23) 个可能的值，而具有 6 位分辨率的设备可以测量 64 (26) 个可能的值（图 2）。分辨率越高，转换的测量值所反映的信号越精确。

图 2：DAQ 设备的精度转换为分辨率；具有 6 位分辨率的 DAQ 设备提供的信息量是具有 3 位分辨率的设备的 8 倍（8 倍精度）。（图片来源：NI）

给定的 ADC 将被设置为在设定的输入范围（例如 ±10 伏）内进行测量，并且 DAQ 设备的分辨率适用于总量程。如果在更小的范围进行测量，例如 ±2 伏，得到的测量值分辨率将是指定的 DAQ 设备分辨率的一小部分（在本例中约为 20%）（图 3）。使用具有可选择输入范围的 DAQ 设备可以解决这个问题。常见的输入范围包括 ±10 伏、±5 伏、±1 伏和 ±0.2 伏。根据信号范围调整输入范围，可以提高测量的质量。

图 3：使用具有 3 位分辨率、±10 伏量程的 DAQ 设备（分别对应左侧的红线以及量程顶部和底部的黄色虚线）来测量 ±2 伏的信号（白色正弦波），将会导致精度显著下降。（图片来源：NI）

采样率、奈奎斯特和过采样

采样率是 ADC 将模拟输入转换为数字数据的速率。采样率和分辨率可能是负相关的。通常只能通过降低分辨率的位数来提高采样率，因为采样率越高，ADC 可用于对信号进行数字化处理的时间就越少。因此，优化采样率非常重要。

这便是奈奎斯特采样定理起作用的地方：它指出，当采样率 fs 超过最大信号频率的两倍时，可以准确测量原始信号的频率。该频率被称为奈奎斯特频率 fN。为了准确测量原始信号的形状和频率，奈奎斯特定理要求 fs 为最大信号频率的 5 到 10 倍。使用高于 fN 的采样率称为过采样。

除了解 fN 之外，混叠和重影也是在优化 fs 时需要应对的挑战。混叠是一种由于采样率过低，无法准确捕捉高频内容而导致采样信号频谱出现失真的效应。过采样可以消除混叠。过采样对于捕捉快速信号边沿、一次性事件和瞬态也很有用。但是，如果 fs 过高，在进行多路复用采样期间会出现一种被称为重影的现象。

在较高的多路复用采样率下，需要考虑每个输入通道的建立时间。当采样率超过 DAQ 设备的建立时间时，就会出现重影。这时，相邻通道的信号会发生干扰，导致重影和测量失准（图 4）。

图4：在左侧，采样率足够低，通道 0（红色）和 1（蓝色）上的测量之间有适当的建立时间。而在右侧，由于采样率过高，通道 0 影响了通道 1 上的测量，因而发生了重影。（图片来源：NI）

DAQ 设备的有效采样率受同步或多路复用架构选择的影响。同步采样在每个输入通道使用一个 ADC，并在所有通道上提供与通道数量无关的完全采样率（图 5）。

利用同步采样可以一次采集多个样本。同步架构相对昂贵，涉及的元器件数量更多，可能会限制单个 DAQ 设备中可用的通道数量。而在多路复用架构中，将使用一个多路复用器 (mux) 在所有通道之间共享一个 ADC，因而减小了每个通道可达到的最大速率。样本按顺序采集，且通道之间存在延迟。多路复用架构的成本较低，并且可以使 DAQ 设备拥有更大的通道密度。

图 5：同步采样在所有通道上提供完全数据速率，而在多路复用采样中，完全采样速率由所有通道分享，导致每个通道的速率降低。（图片来源：NI）

搭建紧凑型 DAC 系统

搭建 DAC 系统的第一步是选择 CompactDAQ 机箱。机箱可提供各种通信总线，包括 PCI 和 PCI Express (PCIe)、高速 USB、PXI 和 PXI Express (PXIe)、以太网 2.0，以及用于 NI 的 C 系列 I/O 模块的 1 到 14 个插槽。例如，781156-01 具有 8 个插槽和 1 个 USB 2.0 接口（图 6）。只需插入模块，就可以在系统中增加额外的测量类型和通道。系统会自动检测所有模块并与机箱背板上的时钟进行同步。

图 6：781156-01 CompactDAQ 机箱有 8 个插槽和 1 个 USB 2.0 高速接口。（图片来源：NI）

通信总线是机箱规格的一个重要部分（表 1）。USB 提供的 60 Mbps 速率足以满足大多数应用的需要，而且 USB 具有良好的灵活性和便携性。以太网可用于实现规模较大的应用，能够支持更远的缆线距离和分布式 DAQ 系统。PCI 和 PCIe 总线允许将设备插入到台式电脑中进行数据记录和分析。PXI 和 PXIe 总线与 PCI 和 PCIe 相似，但具有超强的同步能力，能够对大量数据进行整合和比较。

表 1：选择 DAQ 通信总线是选择机箱的一个重要部分。总线应与所需的数据传输率、距离和便携性需求相匹配。（图片来源：NI）

在选择机箱之后，设计人员可以从 60 多个 C 系列模块中选择用于测量、控制和通信应用的模块。C 系列模块可以连接到几乎所有的传感器或总线，并可以进行高精度的测量，以满足 DAQ 和控制应用的需求（图 7）。这些热插拔模块提供了特定于测量的信号调节来滤除噪声和隔离数据、模数转换功能，以及各种输入连接器。

图 7：C 系列模块具有通用的外形尺寸，可以在任何 CompactDAQ 机箱中热插拔，并有多种输入接口可供选择，以满足不同的应用需求。（图片来源：NI）

C 系列模块可用于许多 DAQ 和控制功能，包括：

· 模拟输入模块具有多达 16 个通道，用于连接电压、电流和常用传感器，以测量温度、声音、应变、压力、负载和振动等。
· NI 9239 是一款四通道通用型模拟输入模块。每个通道提供 ±10 伏的量程和 24 位分辨率，并以最大采样率输出 50 千样本/秒 (kS/s) 的数据。
· 模拟输出模块提供 2、4 和 16 个通道，可用于生成电压信号和控制电流驱动的工业致动器
· NI 9263 是一款四通道模拟输出模块，具有美国国家标准技术研究院 (NIST) 可跟踪校准，以及过压保护、短路保护、快速压摆率和高精度等功能特性。
· 数字输入和输出模块可用于生成和读取数字信号。数字输入模块具有 4、6、8、16 和 32 个通道，输出和双向模块则具有 8、16 和 32 个通道。
· NI 9423 是一款可兼容 24 伏信号的八通道数字输入模块，适合与工业逻辑电平和信号一起使用，直接连接到一系列工业开关、换能器、传感器和其他设备。
· NI 9472 是一款八通道数字输出模块，可兼容 6 至 30 伏信号，并可直接连接到各种工业设备，如致动器、继电器和电机。

软件集成

搭建紧凑型 DAQ 系统的最后一步是软件。NI-DAQmx 应用编程接口 (API) 可直接与各种开发选项配合使用，包括 LabVIEW、C、C# 和 Python。该 API 可支持在所有 NI 的 DAQ 设备上无缝操作，最大限度减少了因硬件升级或变化而导致的重新开发工作，并且可访问文档、帮助文件和许多可随时运行的软件示例，加速应用开发。

开发人员可以调整每个项目所需的编程水平（图 8）。FlexLogger 数据记录软件提供了一个直观的、以传感器为中心的配置开发环境，可与 NI 的 LabVIEW 集成以进行自定义分析。LabVIEW NXG 支持使用交互式分析面板或全功能编程环境配置硬件。高级开发人员可以使用大多数编程语言直接与 DAQmx API 交互，以实现定制和更好的性能。

图 8：DAQ 软件选择流程图显示了开发人员如何针对每个项目调整他们想要的编程水平。（图片来源：NI）

总结

如果从头开始设计 DAQ，这可能是一个非常复杂的任务。传感器、信号调节、处理、I/O 和软件，都必须满足现有任务的要求，同时还能随着时间的推移进行修改和升级。开发人员可以采取模块化的方法，快速、高效地设计包括传感器、硬件和软件的紧凑型 DAQ 系统，所有这些元素都可以随着时间的推移和应用要求的变化进行更换，而不是将它们简单地拼接在一起。

此外，本文所示的方法支持各种通信总线，包括 PCI 和 PCIe、高速 USB、PXI 和 PXIe 以及以太网 2.0，可满足特定的系统要求。该方法使用热插拔模块提供特定于测量的信号调节来滤除噪声和隔离数据、模数转换功能，并且可以选择输入连接器的样式。它还非常灵活，可以与各种测量软件集成，包括 LabVIEW、C、C# 和 Python。