如何構建緊湊型數據採集系統

從設計確認和驗證，一直到加快產品壽命和生產的測試等，數據採集 (DAQ) 都是各種研究和工程活動的關鍵功能。雖然 DAQ 系統的關鍵要件很簡單，僅包含感測器、量測硬體和軟體，但後續作業可能相當複雜。

由於系統可能需要測量各種物理現象，因此必須具備靈活性和可擴充性，同時還要堅固耐用，而且成本也是必要的考量因素之一。有鑑於此，DAQ 系統的挑選與建構作業相當複雜。如果系統規格過高，成本就會很高，使用起來可能會很麻煩。如果系統規格過低，則無法勝任目前或未來的任務。為了解決此難題，設計人員可以採用模組化作法，也就是一開始先用帶有多個插槽的耐用型高效能機箱，然後隨著時間的推移，添加所需的處理效能、功能和連接選項。

本文將檢視挑選時必須瞭解的 DAQ 系統效能指標，包括類比訊號的數位化、奈奎斯特取樣定理和交疊、輸入範圍、取樣率，以及多工與同步取樣。然後會介紹一種模組化作法，採用 National Instruments 的 CompactDAQ 機箱為基礎，搭配類比和數位 I/O 模組，以及多種軟體要件，包括開發環境選項、驅動程式和分析／報告工具等。

DAQ 的要求和效能指標

如前所述，基本程度的 DAQ 含有感測器、訊號調整、類比數位轉換器 (ADC)、處理器和相關軟體 (圖 1)。設計人員的任務是讓系統元件與受量測和分析的項目互相匹配，同時也要控制成本和架設時間。

圖 1：DAQ 系統由感測器、提供訊號調整和數據轉換功能的 DAQ 量測裝置，以及包含驅動程式和應用軟體在內的運算資源所組成。(圖片來源：NI)

為了匹配這些要件，務必瞭解精確度、訊號振幅和訊號頻率，皆屬於 DAQ 系統的基礎參數。這些參數可分別轉換成量測解析度、範圍和速率。在許多應用中，解析度是最重要的考量因素。解析度會界定可用的測量值數量。舉例來說，一個 3 位元解析度的裝置可以測量 8 個可能的數值 (2³)，而 6 位元解析度的裝置則可測量 64 (2⁶) 個可能的數值 (圖 2)。解析度越高，轉換後的測量值就能更精確地反映訊號。

圖 2：DAQ 裝置的精確度會反映在解析度上；6 位元解析度的 DAQ 裝置提供的資訊量是 3 位元解析度的 8 倍 (8 倍的精確度)。(圖片來源：NI)

指定 ADC 將設定成在一組輸入範圍 (如 ±10 V) 內進行量測，而 DAQ 裝置的解析度可應用到整個範圍。如果在較小的範圍內進行量測 (如 ±2 V)，則量測結果只會達到 DAQ 裝置指定解析度的一小部分 (在此例中約為 20%) (圖 3)。使用可選擇輸入範圍的 DAQ 裝置，就可解決這個問題。常見的輸入範圍包括 ±10 V、±5 V、±1 V 和 ±0.2 V。根據訊號範圍調整輸入範圍，將可達到更高品質的量測。

圖 3：使用 3 位元解析度和 ±10 V 範圍 (左側的紅線，及範圍頂端和底部的黃色虛線) 的 DAQ 裝置來量測 ±2 V 訊號 (白色正弦波)，會導致準確度大幅降低。(圖片來源：NI)

取樣率、奈奎斯特和超取樣

取樣率是指 ADC 將類比輸入轉換為數位數據的速率。取樣率和解析度可能呈逆相關。通常，只有降低解析度位元數才有可能達到更高的取樣率，原因在於取樣率越高，留給 ADC 進行訊號數位化的時間就越少。因此，取樣率最佳化相當重要。

奈奎斯特取樣定理對此有所幫助，其指出：當取樣率 f_s 超過最大訊號頻率兩倍時，即可準確量測原始訊號的頻率。這便是所謂的奈奎斯特頻率，f_N。為了準確量測原始訊號的形狀和頻率，奈奎斯特定理要求 f_s 為最大訊號頻率的 5 至 10 倍。使用高於 f_N 的取樣率即稱為超取樣。

除了瞭解 f_N 之外，最佳化 f_s 時還需要處理交疊和重影問題。交疊是一種效應，會在取樣率過低，無法準確擷取高頻率內容時，導致取樣訊號頻譜失真。超取樣可以消除交疊。超取樣也可以用於擷取快速訊號邊緣、一次性事件和暫態。但是，如果 f_s 過高，則會在多工取樣過程中出現一種稱為重影的現象。

在較高的多工取樣率下，各個輸入通道的趨穩時間就會成為一個影響因素。當取樣率超過 DAQ 裝置的趨穩時間時，就會出現重影。此時，相鄰通道上的訊號會造成干擾，導致重影和量測準確度降低 (圖 4)。

圖 4：在左側，取樣率夠低，因而能在通道 0 (紅色) 和通道 1 (藍色) 間量測時正確地趨穩。在右側，由於取樣率過高而出現重影，通道 0 影響了通道 1 的量測結果。(圖片來源：NI)

DAQ 裝置的有效取樣率會受到所選的同步或多工架構影響。同步取樣會在每個輸入通道使用一個 ADC，並且會在所有通道達到完整的取樣率，而不受通道數的影響 (圖 5)。

同步取樣可一次擷取多個樣本。同步架構的成本相對較高，涉及的元件較多，進而限制了單一 DAQ 裝置中可使用的通道數。多工架構則會使用多工器，在所有通道中共用一個 ADC，進而降低每個通道可達到的最大速率。其樣本是以串聯方式擷取，且通道之間會有延遲。多工架構的成本較低，因此能讓 DAQ 裝置具有更高的通道密度。

圖 5：同步取樣可在所有通道達到完整的數據傳輸率，而在多工取樣中，所有通道會共用完整取樣率，導致每個通道的速率較低。(圖片來源：NI)

打造緊湊型 DAC 系統

打造 DAC 系統的第一步就是挑選 CompactDAQ 機箱。市面上的機箱採用各式各樣的通訊匯流排，包括 PCI 和 PCI Express (PCIe)、高速 USB、PXI 和 PXI Express (PXIe) 及乙太網路 2.0；且對 NI 的 C 系列 I/O 模組來說，可支援的插槽數也從 1 至 14 個。例如，781156-01 有 8 個插槽和一個 USB 2.0 介面 (圖 6)。只需插入模組，即可在系統中增添額外的量測類型和通道。系統會自動偵測所有模組，並將其與機箱背板中的時脈同步。

圖 6：781156-01 CompactDAQ 機箱具有 8 個插槽和一個 USB 2.0 高速介面。(圖片來源：NI)

通訊匯流排是機箱規格的重要部分 (表 1)。USB 提供的 60 Mbit/s 足以滿足大多數應用，而且 USB 具有良好的靈活性和可攜性。乙太網路可用於實體規模較大的應用，能夠支援更長的纜線距離和分散式 DAQ 系統。PCI 和 PCIe 匯流排能讓裝置插入桌上型電腦，進行資料記錄和分析。PXI 和 PXIe 匯流排類似於 PCI 和 PCIe，但提供優異的同步功能，可促成大量資料的整合和比較。

表 1：挑選機箱時，選擇合適的 DAQ 通訊匯流排相當重要。匯流排應可配合所需的數據傳輸率、距離以及可攜性需求。(圖片來源：NI)

挑選好機箱後，設計人員就可以針對量測、控制和通訊應用，從 60 多個 C 系列模組中進行挑選。C 系列模組可連接至幾乎所有的感測器或匯流排，並能進行高準確度的量測，滿足 DAQ 和控制應用的需求 (圖 7)。這些熱抽換模組不僅提供特定量測的訊號調整，可過濾雜訊並隔離數據，還可進行類比數位轉換，並具有多種輸入連接器。

圖 7：C 系列模組採用常見的外形尺寸，可在任何 CompactDAQ 機箱上進行熱插拔，並且提供多種輸入連接器，能夠滿足不同應用的需求。(圖片來源：NI)

C 系列模組可用於多種 DAQ 和控制功能，包括：

• 類比輸入模組有多達 16 個通道，可用於連接電壓、電流以及常見的感測器，以便測量溫度、聲音、應力、壓力、負載和振動等。
  • NI 9239 是一般用途的四通道類比輸入模組。每個通道提供 ±10 V 的量測範圍和 24 位元解析度，並可在最大取樣率下輸出 50 kS/s 的資料。
• 類比輸出模組提供 2、4 和 16 個通道，可用於產生電壓訊號，並且控制工業電流驅動式致動器
  • NI 9263 是四通道的類比輸出模組，具有通過美國國家標準暨測試局 (NIST) 認可的校準功能，並具備過電壓保護、短路保護、快速迴轉率和高準確度。
• 數位輸入和輸出模組可用於產生和讀取數位訊號。數位輸入模組提供 4、6、8、16 和 32 個通道，輸出和雙向模組則提供 8、16 和 32 個通道。
  • NI 9423 是八通道的數位輸入模組，相容於 24 V 訊號，可搭配工業邏輯位準和訊號使用，可直接連接到一系列工業開關、傳感器、感測器和其他裝置。
  • NI 9472 是八通道數位輸出模組，相容於 6 至 30 V 的訊號，並可直接連接至致動器、繼電器和馬達等多種工業裝置。

軟體整合

軟體是打造緊湊型 DAQ 系統的最後一步。NI-DAQmx 應用程式開發介面 (API) 可直接配合多種開發選項使用，包括 LabVIEW、C、C# 和 Python。此 API 可在 NI 的所有 DAQ 裝置上順利操作，並可針對硬體升級或變動而導致的重新開發，將其降至最低，更還可存取文件、說明檔案和大量可立即執行的軟體範例，藉此加速應用開發。

開發人員可以介入每個專案所需的編程層級工作 (圖 8)。FlexLogger 資料記錄軟體提供直覺且以感測器為主的配置開發環境，可以與 NI 的 LabVIEW 整合，進行客製化分析。透過 LabVIEW 的支援，就可使用互動式分析面板，或是全功能的編程環境，對硬體進行配置。進階開發人員則可使用絕大多數編程語言，直接與 DAQmx API 進行介接，以便進行客製化並發揮效能。

圖 8：DAQ 軟體選擇流程圖顯示，開發人員如何在各個專案中，介入其所需的編程層級進行作業。(圖片來源：NI)

結論

從零開始設計 DAQ 是複雜的任務。包括感測器、訊號調整、處理、I/O 和軟體，都必須要滿足現有任務，同時還可隨時間進行修改和更新。與其組合各種要件，開發人員可以採用模組化作法，快速有效地設計一套緊湊型 DAQ 系統，其中含有感測器、硬體和軟體，且皆可隨著時間的推移以及應用需求的變化來進行更換。

此外，本文所述的作法可支援多種通訊匯流排，包括 PCI 和 PCIe、高速 USB、PXI 和 PXIe 以及乙太網路 2.0，可滿足特定的系統要求。此作法採用熱抽換模組，不僅能提供量測專用的訊號調整來過濾雜訊並隔離數據，還可提供類比數位轉換以及多種輸入連接器。此作法也很靈活，可以整合多種量測軟體，包括 LabVIEW、C、C# 和 Python。

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