量测基础篇－DAQ基本要素与资料截取概念

本文将介绍建立DAQ系统的五大基本要素，包括换能器、信号、信号处理、DAQ硬件、驱动程式及应用程式，从中同时提供关于资料截取的基础概念。
DAQ及资料截取简介
资料截取包括从测量来源收集信号，以及将信号数字化，以便储存、分析及呈现在个人电脑上。在选择资料截取(DAQ)系统时，有许多不同PC技术形态可以选择，包括PCI、PXI、CompactPCI、PCMCIA、USB、Firewire、平行埠或序列埠，以供测试、量测及自动化应用程式的资料截取应用。在建立基本的DAQ系统时，有下列五项要素必须考虑（图1）：

1. 换能器和感测器
2. 信号
3.信号处理
4. DAQ硬件5. 驱动程式和应用程式软件　

图1. 资料截取系统
　

本文将说明DAQ系统中的这五项要素，并简介资料撷取概念。

换能器（Transducers）
资料截取始于要被测量的物理现象，可能是房间的温度、光源的强度、空间的压力、应用在物体上的力量，或是其它许多现象。一个有效的DAQ系统可以测量这一切不同的现象。

换能器是将物理现象转变成可测量之电子信号（例如电压或电流）的设备。DAQ系统测量不同现象的能力是由将物理现象转换为可被DAQ硬件测量之信号的换能器来决定。换能器相当于DAQ系统中的感测器。不同的应用环境有专用的换能器，例如测量温度、压力，或水流。表1是常见的换能器，以及它们可以测量的现象。
　

表1. 物理现象与现有的换能器

　

不同的换能器在将现象转换为可测量信号时，都有不同的要求。某些换能器需要电压或电流激发。其它的换能器可能需要额外的元件，甚至是电阻网络（resistive networks）才能产生信号。（请参阅ni.com/sensors以取得更多关于换能器的资讯）

信号：模拟及数字
适当的换能器将物理现象转变成可测量的信号。但是，不同的信号必须用不同的方式来测量。基于这个原因，我们必须了解不同类型的信号，以及其相对应的属性。信号可以归类为模拟和数字两种。

模拟信号可以是任何与对比于时间的值。模拟信号的例子包括电压、温度、压力、声音，以及负载。模拟信号的三项主要特性是强度(level)、形状，以及频率（图3）。
　

图3.　模拟信号的主要特性
　

强度(Level)
由于模拟信号可以是任何值，因此强度提供关于所测得之模拟信号的重要资讯。光线的强度，房间的温度，以及舱房内的压力，都是说明信号强度的重要性的例子。在测量信号的强度时，通常信号不会迅速随着时间变动。但是测量的准确度非常重要。应该选择可产生最大准确度的DAQ系统来协助测量模拟信号强度。

形状(Shape)
有些信号是以其特殊形状来命名──正絃、方波、锯齿，以及三角形。模拟信号的形状可能和强度一样重要，因为测量模拟信号的形状可以进一步分析该信号，包括波峰值、DC值，以及坡度。形状佔有相当重要性的信号通常会随着时间快速变动，但是系统的准确度仍然很重要。心跳、影像信号、声音、震动，以及电路回应的分析，都是包括形状测量的一些应用。

频率(Frequency)
所有的模拟信号都可以用它们的频率来分类。和信号的形状或强度不同的是，频率不能直接进行测量。信号必须使用软件进行分析，才能判断其频率资讯。这种分析通常使用一种名叫「傅利叶变形」(Fourier Transform)的运算法来进行。

当频率是最重要的资讯时，就必须同时考虑准确度和撷取速度。虽然为了截取信号频率所需的撷取速度低于取得信号形状所需的速度，但是信号仍然必须以足够的速度撷取，才不至于在截取模拟信号时失去重要资讯。确保获致此速度的条件称为奈奎斯特取样定理(Nyquist Sampling Theorem)。语音分析、电信，以及地震分析，都是必须知道信号频率的应用范例。

数字信号不能以时间为基准而赋与任何数值。数字信号只有两个可能值：高及低。数字信号通常会符合一个特定的规格，该规格定义了信号的特性。数字信号常被称为Transistor-to-Transistor Logic (TTL)。TTL规格指出，当强度落在0至0.8伏特之间时，数字信号视为低；在2至5伏特之间则视为高。可以从数字信号中测量而得的有用资讯包括状态和速率（图4）。
　

图4.　数字信号的主要特性
　

状态(State)
数字信号不会以相对于时间的方式以数值呈现。数字信号的状态基本上就是信号的强度──有或无，高或低。监视开关的状态──开或关──是常见的应用，即说明了知道数字信号状态的重要性。

速率(Rate)
数字信号的速率决定数字信号在时间内改变状态的方式。测量数字信号速率的范例之一就是判断马达转轴的转速。和频率不同，数字信号的速率测量的是取决于信号的某一个部份发生的频率有多常发生。不需要使用软件运算法来判断信号的速率。

信号处理
有时候换能器产生的信号过于困难或太危险，以致于无法直接使用DAQ设备进行测量。举例来说，在处理高压电、噪音环境、极高和极低信号，或是同时量测信号之时，信号处理就是高效率DAQ系统的重要元件。信号处理将系统的准确度提升到最大，允许感测器正确地运作，并且保证安全性。

选择正确的硬件来进行信号处理是非常重要的。信号处理可以用模组化或整合形态来获得（图5）。信号处理配件可以使用在多种应用场合，包括放大、衰减、隔离、Bridge completion、同步取样、感测器激发、及多工。

使用信号处理时必须考虑的其它重要标准包括封装（模组化或整合式）、效能、I/O数量、高级功能，以及价格。您可藉助ni.com/signalconditioning的DAQ Advisor和其它线上工具，寻找最适合的讯号处理产品。
　

图5. 信号处理的硬件选项
　

DAQ硬件
DAQ硬件是电脑和外界之间的介面。它的主要功能是将输入的模拟信号数位化，使电脑能够解读这些信号。其它的资料截取功能包括：
• 模拟输入／输出
• 数字输入／输出
• 计数器／计时器
• 多重功能──将模拟、数字和计数器运算结合在一部设备上。

National Instruments提供多种硬件平台，供资料截取使用。最方便使用的平台是桌上型电脑。National Instruments提供PCI DAQ设备，可以插进任何桌上型电脑中。此外，NI也制造供PXI/CompactPCI使用的DAQ设备，这是一款更加坚固的模组化电脑平台，特别为测量及自动化应用而设计。至于分散式测量， National Instruments Compact FieldPoint平台提供模组化I/O、嵌入式运算，以及乙太网路通信。在可携式和手持式测量方面，为USB和PCMCIA设计的National Instruments DAQ设备可以配合膝上型电脑或PocketPC PDA使用（图6）。
　

图6. DAQ硬件选项
　

驱动程式和应用程式软件驱动程式软体
软件将PC和DAQ硬件转变成完整的资料截取、分析及呈现工具。若是没有软件来控制或驱动硬件，DAQ设备就无法正常运作。驱动程式软件是让你能够轻易与硬件沟通的软件层。它构成应用程式软件和硬件之间的中间层。驱动程式软件亦让程式设计师不需要进行暂存器层级的程式设计或复杂的指令，就可以存取硬件功能。National Instruments提供两种不同的软件选项：

• NI-DAQmx驱动程式及其它的量测服务软件

• NI-DAQmx Base驱动程式软件

随着NI-DAQmx的推出，National Instruments使DAQ应用程式的开发展生革命性的变化，大幅提高从制作程式到佈署高效能量测应用程式之间的速度。NI-DAQmx内附的DAQ Assistant是一款图形化互动式指引，帮助你设定、测试，以及截取量测资料。只需按一下滑鼠键，你甚至可以根据组态设定来产生程式码，使你更快速、更方便开发复杂的运算。由于DAQ Assistant完全以选单操作，因此你可以减少所犯的程式设计错误，大幅缩短从设定DAQ系统到开始进行测量之间的时间。

应用程式软件

应用程式层可以是你用来制作客制应用程式、并且符合特定条件的开发环境，也可以是以组态为基础、具有预先设计之功能的程式。应用程式软件为驱动程式软件增加分析及呈现的功能。要选择正确的应用程式软件，应先评估应用程式的复程度，是否能取得符合应用所需的组态式软件，以及能够用来开发应用程式的时间。如果应用程式很复杂，或是没有现有的程式可用，则使用开发环境。

NI提供三种开发环境软体产品，用于开发完整的仪控、截取及控制应用程式：
• LabVIEW：提供图形化的程式设计方法
• LabWindows/CVI：供传统C程式设计师使用
• Measurement Studio：供Visual Basic、C++，以及.NET使用。

随着SignalExpress的推出，NI推出一款以组态为基础的软件环境，不再需要程式设计。Signal Express让使用者能够使用NI Express Technology进行互动式测量。

此外，所有的产品都能使用针对特殊功能而设计的附加工具组来加强其功能。National Instrument VI Logger是一款使用容易、功能强大的工具，特别针对资料记录应用程式而设计。