使用基於 USB 的數據採集系統，簡化機電測試

機電系統結合電氣和機械組件，用於製造業、航太、汽車、醫療、機器人應用中的馬達、壓縮機、幫浦、感測器、致動器和控制電子等裝置。這些裝置必須經過電氣和機械的測試和監控，以確保正常運作。

若要取得準確、可靠的資料，必要的設備必須與被測設備相容，且採用合適的測試方法或程序。測試設備必須處理多重類比和數位輸入／輸出 (I/O) 通道，以測量和控制這些裝置，還需具備計數器／計時器等基本測量儀器和電源供應器。測試儀器必須搭配整合軟體，提供量測、即時顯示、詳細報告。

執行這些測試時，選擇和整合必要的硬體和軟體可能既耗時又昂貴。模組化 USB 數據採集儀器能協助設計人員；此儀器結合最新技術與各式軟體測試工具，能驗證最複雜的機電系統。

本文首先介紹設計人員測試機電裝置時會面臨的挑戰。接著介紹 NI 的 mioDAQ 儀器，並展示如何運用以簡化標準機電測試，進而加速開發和部署。

機電測試

以一個簡單的馬達測試台為例，其包含安裝在測試夾具上的馬達，該測試夾具連接到懸掛在兩個軸承座之間的負載 (圖 1)。此測試台由馬達控制器以電壓控制馬達的速度。此配置使用光學轉速計測量馬達的轉速，並使用三個加速度計測量內軸承座 X、Y、Z 方向的機械振動。

圖 1：馬達振動測試台，使用光學轉速計測量馬達的轉速，以及加速度計測量內軸承座沿著三個正交軸與馬達相關的振動。(圖片來源：NI)

測試台用於判定峰值振動水準及其振動時的轉速。此程序涉及線性改變馬達速度，同時監測振動水準並記錄兩者。

執行此測試需要各種儀器。首先，需多個類比測量通道來監測和記錄三個加速度計輸出，還需要另一個類比通道，用來監視轉速計以測量馬達的轉速，以及一個類比輸出電壓，以便控制馬達的速度。一個數位訊號輸出可提示馬達控制器，開啟和關閉馬達，另一個數位訊號輸出，用於選擇馬達的旋轉方向。

因此，最簡單的馬達測試至少需要四個類比輸入、一個類比輸出、兩個數位輸出。更複雜的測試可能會添加額外的振動感測器、熱電偶等溫度感測器和壓力傳感器等。

數據採集系統

機電測試需要一個數據採集系統 (DAQ)，包含用於測量和控制的數據採集裝置、一台電腦，以及支援軟體。NI 的 USB-6400 系列 mioDAQ USB 數據採集硬體可滿足這項需求。此系列提供四款 USB DAQ 裝置 (圖 2)。

圖 2：此表格總結 mioDAQ USB-6400 系列中四款裝置的特性。(圖片來源：NI)

mioDAQ 系列為測試工程師提供四種數據採集裝置配置選擇：

• 16 或 20 位元振幅解析度，最大滿量程輸入為 ±10 V
• 250 kS/s 多工或 1 MS/s 取樣率
• 輸入通道排列為 16 或 32 個單端 (SE) 通道或 8 或 16 個差動 (DI) 通道
• 二或四個輸出通道，範圍為 ±10 V，用於控制、模擬、訊號生成

所有型號均由 USB-C 連接埠控制並供電，並包括 16 條數位 I/O 線路和 4 個 32 位元計數器／計時器。使用一個 100 MHz 板載時基驅動所有數位電路，包括取樣時脈、觸發線路、計數器／計時器。各通道類型都有一個基於板載時基的獨立計時引擎。類比輸入和輸出通道以及數位 I/O 線路的計時可以設定為不同速率。NI 的 mioDAQ USB 裝置還包括採用控制軟體進行的自行校準；此軟體可啟動自行校準並使用多元校準方程式補償環境和系統變化，達到快速校準，而不會出現明顯的處理延遲。得到的資料會儲存在板載 EEPROM 中。

mioDAQ 裝置的另一個特點是 Smart ID Pin，可為測試台添加智慧能力。Smart ID Pin 會與使用者提供的 1 線 EEPROM 進行通訊，讀取受測裝置 (DUT) 資訊，並確保纜線插入正確的連接埠。此引腳可節省測試時間，並為測試台降低錯誤。

有四款特定數據採集裝置可供選擇。USB -6421 (789887-01) 是最實惠的裝置。使用單一多工類比數位轉換器 (ADC) 提供 16 個 SE 或 8 個 DI 通道，取樣速度高達 250 kS/s，並包括雙類比輸出通道。

USB -6423 (789882-01) 將多工通道數量增加一倍，達到 32 個 SE 或 16 個 DI，並將類比輸出能力增加到四個通道。

USB -6451 (789888-01) 將 ADC 數量增加到 8 個。此外，還將 AC 解析度提高到 20 位元，最大取樣率提高到 1 MS/s。提供 8 個同步取樣通道和最多 16 個多工模式通道。

USB -6453 (789884-01) 提供最重要的功能；將 20 位元 1 MS/s ADC 的數量增加一倍，達到 16 個，同步取樣時的最大通道數增加到 16 個，多工取樣模式下的最大通道數增加到 32 個。

所有四個型號均安裝在寬 177 mm、高 30.4 mm、深 116.7 mm 的外罩中 (圖 3)。

圖 3：USB-6400 系列中 USB-6453 (左) 成員的完整視圖，以及其前 (右上) 和後 (右下) 面板。(圖片來源：NI)

前面板可存取所有類比和數位訊號。使用兩個 36 位置前置彈簧端子連接器進行連接，可接受 #26 AWG 至 #16 AWG 電線。後殼提供彈簧端子連接器以消除應力。內建冷接點補償 (CJC)，用於熱電偶測量。

mioDAQ 裝置封裝的背面和側面都有紮帶安裝孔，背面有一個 USB 鎖定螺絲，可快速固定纜線並整合儀器。提供選用安裝套件，可將裝置固定在水平或垂直方向的 19 in 機架或 DIN 軌上。

mioDAQ 提供 QR 碼，讓文件遺失成為過去式。使用者可掃描模組背面的 QR 碼，即可快速存取使用手冊、規格、引腳排列，以及控制和分析軟體及驅動程式的下載連結。

通道規格

最多可提供 32 個類比輸入通道，最大滿量程範圍為 -10 V 至 +10 V，解析度為 16 位元或 20 位元，最大取樣率為 250 kS/s 或 1 MS/s (取決於模型)。-0.2 V 至 +0.2 V、-1 V 至 +1 V、-5 V 至 +5 V 的較低範圍可將輸入訊號與輸入範圍相匹配，最佳化動態範圍。

類比輸出的電壓範圍為 -10 V 至 +10 V，每通道的時脈速率為 200 kS/s。可以建立非週期性或週期性波形，產生類比控制訊號或模擬感測器。

數位 I/O 線路可以獨立設定為輸入或輸出。可編程為 5、3.3、2.5 V 的邏輯電壓閾值，並且可以將外部時脈或觸發訊號路由到裝置中或驅動內部計數器／計時器。

數據採集軟體

mioDAQ 裝置可由多重軟體包進行控制，包括 NI 的 LabVIEW、LabVIEW+、Python，以及 NI 的 FlexLogger 記錄軟體。NI 的 NI-DAQmx 驅動程式支援使用 C/C++、C#、VB 6.0、VB.NET 進行自訂編程，並包含用於數據採集操作的編程範例和函式庫函數。

FlexLogger 是一個無程式碼軟體包，可讓測試工程師控制、檢視、儲存來自數據採集裝置的測試資料。可對測量值設定限制，在超出範圍時發出警報，並允許使用內建處理工具對測試資料進行詳細分析。FlexLogger Lite 是免費軟體，可進行手動資料記錄和 NI DAQ 硬體的基本操作。圖為 USB-6421 通道設定的範例 (圖 4)。

圖 4：FlexLogger Lite 的 USB-6421 通道設定視圖，包括類比輸入、類比輸出、數位 I/O 設定。(圖片來源：Art Pini)

類比輸入通道的配置可讀取三軸的振動資料以及壓力、溫度、聲級的測量。每個輸入都經過縮放，以適合測量的單位讀取訊號。類比輸出產生 5 V 和 3.3 V 的功率位準，而數位 I/O 設定為讀取兩個數位輸入。

FlexLogger 是一個功能更齊全的程式，用於自動化測試和延伸資料分析。允許自訂使用者介面視覺化工具，添加圖形、數字指標、儀表。圖 5 顯示馬達 (插圖) 測試的資料。

圖 5：馬達測試結果的 FlexLogger 視圖。(圖片來源：NI)

上部網格顯示三個加速度計和一個轉速計的波形。加速度數據是以 g 為單位經縮放的振動水準與時間的關係。轉速計以每分鐘轉速 (RPM) 為單位測量轉速，其讀數以右下方的數位計顯示。在下方圖表中，對振動資料進行快速傅立葉變換 (一種可用的訊號處理工具)，顯示振動位準 (振幅) 與頻率的關係。

結論

NI 的 mioDAQ 裝置將現代測量技術與簡單的使用者體驗融為一體。測試工程師可以使用 mioDAQ 組件與 NI FlexLogger 等免編程軟體或 NI 的 LabVIEW 等屢獲殊榮的系統軟體搭配，建立複雜的機電測試系統，以滿足更複雜的測試要求。