امروزه کارتهای دیتا اکوزیشن با تنوع بسیار زیادی از نظر نحوه اتصال به کامپیوتر در دسترس هستند. گذرگاه‌های (BUS) متفاوتی مانند PCI، PCI Express، USB، Wi-Fi، PXI از جمله این اتصالات هستند. هرکدام از این گذرگاه‌ها مزایای متفاوتی دارند. از جمله این مزایا ظرفیت جابجایی دیتا، میزان تاخیر در ارسال داده، مسافت ارسال دیتا و غیره هستند.
این مقاله به دنبال پاسخی برای سوال زیر است:
“چگونه یک کارت داده‌برداری با گذرگاه (BUS) مناسب برای نیاز اندازه‌گیری و تحقیقاتی خود انتخاب کنیم؟“
پاسخ به سوال‌های بالا به ما در انتخاب کار دیتا اکوزیشن (DAQ CARD) مناسب کمک خواهد کرد. در ادامه به توضیح هریک از سوالات بالا می‌پردازیم.
تمام گذرگاه‌های کامپیوترهای شخصی (PC BUS) دارای محدویت برای انتقال داده در یک بازه زمانی مشخص هستند. این موضوع تحت عنوان پهنای باند شناخته شده و معمولا با واحد مگابایت بر ثانیه (MB/s) مشخص میشود. اگر در تحقیقات شما، قابلیت اندازه‌گیری موج‌های دینامیکی اهمیت دارد، حتما از کارت‌هایی استفاده نمایید که پهنای باند مناسبی داشته باشند.
با توجه به نوع گذرگاهی که انتخاب می‌کنید، می‌توان پهنای باند کل را بین چندین دستگاه تقسیم یا تمام آن را به یک دستگاه اختصاص داد. برای مثال گذرگاه PCI از نظر تئوری دارای پهنای باند 132MB/s است که می‌توان آن را بین تمام گذرگاه‌های PCI کامپیوتر به اشتراک گذاشت.
همچنین گذرگاه‌هایی مانند PCI Express و PXI Express که پهنای باند اختصاصی را ارائه میدهند، امکان انتقال حداکثر داده را برای هر دستگاه فراهم میکنند.
هنگام اندازه‌گیری شکل موج (Waveform)، براساس اینکه موج‌های دریافتی با چه سرعتی تغییر میکنند باید سرعت داده‌برداری (Sample Rate) و رزولوشن (Resolution) مناسب را مشخص نمایید. با این اطلاعات شما می‌توانید حداقل پهنای باند مورد نیاز را از فرمول زیر محاسبه کنید.
تعداد بایت در هر نمونه x سرعت داده‌برداری x تعداد کانال داده‌برداری به طور همزمان
برای مثال یک کارت اکوزیشن 16 بیتی (2 بایت) با سرعت نمونه‌برداری 4MS/s که به طور همزمان از 4 کانال دیتا دریافت می‌کند نیازمند پهنای باندی مطابق زیر است.
در نتیجه از نظر تئوری پهنای باند گذرگاه باید حداقل 32MB/s باشد. باید به این نکته توجه کرد که پهنای باند واقعی یک سیستم از پهنای باند تئوری کمتر است. اگر حجم داده برداری شما زیاد است، میزان پهنای باند میتواند مهمترین پارامتر برای انتخاب کارت داده‌برداری باشد.
در برخی کاربردها کارت داده‌برداری باید براساس داده‌های دریافتی در ورودی (Input) در خروجی (Output) واکنش دهد. چنین کاربردهایی نیازمند آنست که مقادیر وردوی و خروجی به سرعت بروزرسانی (Update) شوند. به فاصله زمانی از وقتی که درایور نرم‌افزاری، یک عملکرد را فراخوانی می‌کند تا زمانی که ورودی/خروجی نسبت به عملکرد فراخوانی شده واکنش میدهند تاخیر یا Latency گفته میشود. گذرگاه‌های (BUS) مختلف به صورت ذاتی و باتوجه به ساختار مدارهای الکتریکی‌شان دارای تاخیرهای (Latency) متفاوتی هستند. طراحی سخت‌افزار و نرم‌افزار سیستم اندازه‌گیری (DAQ Architectures) میتواند بر روی تاخیر‌پذیری (Latency) ورودی و خروجی بسیار موثر باشد.
با توجه به گذرگاهی که انتخاب می‌کنید، میزان تاخیر میتواند از کمتر از یک میکروثانیه تا چند میلی ثانیه متغیر باشد. به عنوان مثال، در یک سیستم (PID)، این تأخیر گذرگاه میتواند مستقیماً بر حداکثر سرعت حلقه کنترل تأثیر بگذارد.
پارامتر مهم دیگری که باید به هنگام انتخاب گذرگاه یک کارت داده‌برداری در نظر بگیریم، ماهیت گذرگاه‌ها (BUS) هست. برخی از گذرگاه‌ها همیشه تأخیر (Latency) یکسانی دارند درحالیکه برخی مقدار تاخیر (Latency) در برخی دیگر متغیر است. درنتیجه دسته اولی قابلیت اطمینان (Reliability) بالاتری دارند. از آنجایکه بسیاری از الگوریتم‌های کنترلی با این فرض که حلقه کنترل همواره با سرعت ثابت اجرا میشود، طراحی شده‌اند، هرگونه انحراف از نرخ مورد انتظار باعث میشود سیستم کنترل از اثربخشی کمتر و قابلیت اطمینان کمتری برخوردار باشد. بنابراین، هنگام اجرای برنامه‌های کنترل حلقه بسته، باید از BUSهای بیسیم(Wireless)، اترنت (Ethernet) یا USB که دارای تأخیر بالا و گاها متغیری هستند، اجتناب کنید.
از جنبه نرم افزاری نیز نحوه اجرای یک BUS سهم بزرگی در مقدار تأخیر گذرگاه دارد. BUSها و آندسته از درایورهای نرم‌افزاری که از سیستم عامل‌های بی‌درنگ (Real Time) پشتیبانی میکنند بهترین عملکرد را به شما میدهند. بطور کلی، BUSهای داخلی مانند PCI Express و PXI Express برای کاربردهای ورودی/خروجی با تأخیر کم بهتر از BUSهای خارجی مانند USB یا بیسیم هستند.
بسیاری از سیستم‌های اندازه‌گیری نیازمند همگام‌سازی‌های (Synchronization) پیچیده‌ای هستند. در برخی کاربردها نیازمند همگام‌سازی کانال‌های ورودی و خروجی در یک دستگاه دیتا اکوزیشن هستیم. درحالی که در برخی دیگر از کاربردها نیاز است دستگاه‌های مختلف (سنسورها، کلیدها و غیره) با یکدیگر همگام‌سازی شوند.
کارتهای داده‌برداری با BUSهای مختلف، روش‌های متفاوتی را برای تحقق این امر ارائه میدهند. ساده‌ترین راه برای همگام‌سازی دستگاه‌های اندازه‌گیری مختلف، استفاده از Clock & Trigger مشترک است. بسیاری از دستگاه‌های DAQ دارای Lineهای قابل برنامه‌ریزی (Programable) ورودی/خروجی برای Clock & Trigger هستند. حتی در برخی از دستگاه‌ها داده‌برداری ورودی/خروجی Trigger به صورت پورت BNC هست. این نوع از ورودی/خروجی‌های تریگر بیشتر در کارتهای داده‌برداری USB و Ethernet رایج هستند. همچنین برخی از BUSهای خاص دارای خطوط Clock & Trigger اضافی هستند تا امکان همگام‌سازی چندین دستگاه مختلف را فراهم سازند. بوردهای PCI و PCI Express دارای گذرگاه (Real-Time System Integration) هستند. این گذرگاه به کامپیوترهای دستکتاپ این قابلیت را می‌دهد تا چندین بورد داخل کیس یک کامپیوتر به طور مستقیم با استفاده از کابل به یکدیگر متصل شوند. در نتیجه این ویژگی دیگر بر روی میز کامپیوتر سیم‌های مختلفی که دستگاه‌های متفاوت را به یکدیگر متصل می‌کند دیده نمی‌شود.
بهترین BUS برای همگام‌سازی دستگاه‌های مختلف با یکدیگر گذرگاه‌های PXI و PXI Express هستند. این گذرگاه‌ها به طور خاص برای کاربردهای High-Performance Synchronization and Triggering طراحی و ساخته شده‌اند.
برای بسیاری از کاربردها قابل حمل بودن یک عامل مهم است و به راحتی میتواند دلیل اصلی انتخاب یک گذرگاه بر گذرگاه دیگر باشد. برای مثال در سیستم‌های داده‌برداری خودرو سخت‌افزارهای جمع و جور و قابل حمل از مهمترین پارامترهای انتخاب کارت دیتا اکوزیشن هستند. گذرگاه‌های اکسترنال مانند USB و Ethernet به دلیل نصب سریع سخت‌افزار و سازگاری با رایانه‌های قابل حمل مانند لپ‌تاپ برای سیستم‌های DAQ پرتابل مناسبترین گزینه هستند. از دیگر ویژگی‌های مهم کارتهای داده‌برداری USB با قابلیت USB BUS POWERED اینست که به منبع تغذیه جداگانه‌ای نیاز ندارند. همچنین استفاده از گذرگاه‌های انتقال داده بیسیم (Wireless Data Transmission Bus) یکی دیگر از گزینه‌های خوب برای کاربردهایی است که در آنها قابل حمل بودن اهمیت بالایی دارد. زیرا سخت‌افزار اندازه‌گیری قابل حمل میشود در حالی که کامپیوتر میتواند ثابت بماند.
هر کاربرد داده‌برداری از دیگری متفاوت است. و در هر اندازه‌گیری، فاصله بین محیط اندازه‌گیری تا کامپیوتر میتواند بسیار متفاوت باشد. به منظور دستیابی به بهترین قدرت سیگنال و حداکثر دقت باید DAQ در نزدیکترین فاصله ممکن به محیط اندازه‌گیری باشد. انجام چنین کاری در محیطهای اندازه‌گیری بسیار وسیع مانند Health Monitoring یا Environmental Monitoring ناممکن است. همچنین کابل‌کشی‌های طولانی بین محیط اندازه‌گیری تا سیستم جمع‌آوری داده میتواند بسیار پرهزینه باشد. همچنین سیم‌کشی‌های طولانی میتواند بشدت تحت تاثیر نویز قرار بگیرند. یک راه‌حل برای این مشکل استفاده از سیستم‌های قابل‌حمل (Portable) و انتقال مجموعه داده‌برداری به نزدیکترین فاصله از محیط داده‌برداری است. همچنین به لطف سیستم‌های داده‌برداری بدون‌سیم (Wireless) ارتباط فیزیکی بین کامپیوتر و سخت‌افزار داده‌برداری بطور کامل حذف میشود. در نتیجه داده‌برداری در محیطهای وسیع قابل امکان میشود.
