مفاهیم پایه‌ای داده‌برداری

سیستمهای دریافت داده (Data Acquisition Systems)

سیستمهای دریافت داده (Data Acquisition Systems) که اغلب به اختصار DAS یا DAQ نوشته می‌شوند، سیستم‌هایی هستند که برای اندازه‌گیری و ردیابی نوعی از سیستم فیزیکی طراحی شده‌اند و داده‌های خروجی از این سیستم‌ها را به فرمی قابل مشاهده و پردازش در رایانه تبدیل می‌کنند.

طراحی و ساخت سیستم‌های DAS پیچیده است. اولین سیستم DAS توسط IBM در دهه 1960 طراحی شد که مجموعه از تعداد بسیار زیادی کامپیوترها و سخت‌افزارها بود. با پیشرفت تکنولوژی سیستمهای عمومی بیشتری در دسترس قرار گرفته‌اند. در نتیجه اکنون اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل تقریباً هر نوع سیستم فیزیکی امکانپذیر است. در حال حاضر سیستم‌های DAS در زمینه‌های مختلف از تولیدات صنعتی گرفته تا تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند و نوع سیستم مورد استفاده بسته به هر کاربرد متفاوت است.

طراحی و ساخت سیستم‌های DAS پیچیده است. اولین سیستم DAS توسط IBM در دهه 1960 طراحی شد که مجموعه از تعداد بسیار زیادی کامپیوترها و سخت‌افزارها بود. با پیشرفت تکنولوژی سیستمهای عمومی بیشتری در دسترس قرار گرفته‌اند. در نتیجه اکنون اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل تقریباً هر نوع سیستم فیزیکی امکانپذیر است. در حال حاضر سیستم‌های DAS در زمینه‌های مختلف از تولیدات صنعتی گرفته تا تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند و نوع سیستم مورد استفاده بسته به هر کاربرد متفاوت است.

با این حال، به طور کلی، تمام سیستم‌های DAS از سه قسمت تشکیل می‌شوند. این سه قسمت عبارتند از:

1- سنسورهای مورد استفاده برای جمع آوری داده‌ها از سیستمهای فیزیکی

2- مدارهای مورد استفاده برای انتقال این داده‌ها به رایانه

3- سیستم رایانه‌ای که می‌توان روی آنها داده‌های دریافتی را مشاهده و تجزیه و تحلیل کرد.

اگر پیش از راه‌اندازی یک سیستم دریافت داده (DAS) دو فاکتور: چه داده‌ای باید جمع‌آوری شود و بعد از جمع‌آوری داده‌ها چگونه می‌خواهیم با داده‌ها کار کنیم به طور واضح مشخص شوند، در زمان و کیفیت داده‌برداری بسیار موثر خواهد بود و باعث صرفه‌جویی قابل توجهی در وقت و هزینه خواهد شد. اجازه دهید سه قسمت سیستم‌های DAS را به صورت جزئی‌تر مورد بررسی قرار دهیم.

سنسورها

طراحی هر سیستم DAS باید از سنسوری که قرار است بکار برده شود آغاز گردد. با توجه به تنوع گسترده‌ سنسورهایی که امروزه موجود هستند، تقریباً می‌توان تمام خصوصیات فیزیکی یک پدیده یا سیستم را اندازه‌گیری کرد. اما پیش از آغاز کار باید دقیقاً نوع داده‌ای را که نیاز است جمع‌آوری کنید، مورد توجه قرار دهید. مثلا در مورد یک پرینتر، هرچند که می‌توانید با استفاده از یک سنسور دمای هر لحظه پرینتر را ردیابی کنید، اما پیش از آن باید در مورد اینکه آیا چنین اطلاعاتی واقعاً برای شما مفید هستند مطمئن شوید. برخی از پدیده‌هایی که معمولا با DAS اندازه‌گیری می‌شوند دما، شدت نور، فشار گاز، جریان سیال و نیرو هستند.

به ازای هر پارامتر برای اندازه‌گیری، نوع خاصی از سنسور وجود دارد. بنابراین سنسورها اساساً نوعی مبدل هستند که انرژی فیزیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. به عنوان مثال، یک سنسور فشار بر اثر فشاری که به آن اعمال می‌شود واکنش نشان می‌دهد و این اطلاعات را به صورت یک سیگنال الکترونیکی به DAS منتقل می‌کند.

هرچند سنسورهای بسیار زیادی موجود هستند، اما باید توجه داشته‌ باشیم که در استفاده از سنسورها نیز محدودیت وجود دارد. زیرا هر سنسوری روی سیستمی (پدیده‌ای) که قرار است اندازه‌گیری کند تأثیر می‌گذارد و از آن انرژی می‌گیرد. این امر بخصوص زمانیکه سیستم اندازه‌گیری با هدف ثبت تغییرات بسیار کوچک استفاده می‌شود بسیار مهم است. زیرا افزودن حتی یک سنسور کوچک به این سیستمها می‌تواند انرژی بسیار زیادی را برای عملکرد موثر از آنها تخلیه کند.

بطور خلاصه، اگرچه احتمالاً برای اندازه‌گیری هر جنبه از یک سیستم (پدیده) سنسوری در دسترس است، اما اندازه‌گیری تمام متغیرها همیشه عاقلانه نیست. به هنگام داده‌برداری باید از حداقل سنسورهایی که نیاز شما را برآورده می‌کنند استفاده کنید.

پردازش سیگنال (Signal Processing)

یک DAS از سخت‌افزارهایی تخصصی برای انتقال سیگنالها از سنسورها به کامپیوتر استفاده می‌کند. تبدیل یک سیگنال ناموزون (Messy) و گاها همراه با نویز زیاد از یک سنسور به قالبی که می‌تواند در رایانه مورد استفاده و تحلیل قرار گیرد، می‌تواند کاری مشکل باشد.

فرآیند پردازش سیگنال پیش از ارسال به کامپیوتر را می‌توان به 2 مرحله تقسیم کرد.

1- مطلوب‌سازی سیگنال (Signal Conditioning)

2- دیجیتال‌سازی سیگنال (Digitalizing)

یکی از اولین چالش‌هایی که بعد از دریافت سیگنال از سنسور باید برطرف شود، قدرت سیگنال (Signal Length) است. معمولا سنسورها برای گرفتن کمترین میزان انرژی از سیستم (پدیده) مورد بررسی طراحی شده‌اند. در عمل، بدین معنی که سیگنالی خروجی از سنسور بسیار ضعیف است و پیش از انجام هرکاری بروی آن باید تقویت شود. تقویت سیگنال همواره با افزایش نویز همراه است. بنابراین استفاده از تقویت‌کننده‌ای (Amplifier) که بتواند با حفظ کیفیت سیگنال را تقویت کند بسیار مهم است. یک تقویت‌کننده با نویز زیاد می‌تواند چنان بر روی سیگنال‌ها تاثیر منفی بگذارد که عملا سیگنال‌ها بلا استفاده شوند.

بعد از تقویت سیگنال، فرآیند نویز‌گیری خواهد بود. در فرآیند نویز‌گیری به کمک فیلتر‌های بالا گذر (High-Pass Filter) و پایین‌گذر (Low-Pass Filter) نویز‌هایی با فرکانس‌های مشخص  حذف می‌شوند. درواقع نویز‌ها نوساناتی در سیگنال با فرکانس بالا هستند که در مرحله تقویت سیگنال، این سیگنال‌ها نیز تقویت می‌شوند. با حذف این سیگنال‌های ناخواسته (نویز) سیگنال نهایی آماده ارسال به رایانه است. اما پیش از ارسال باید به چالش دیگری غلبه نماییم، دیجیتال سازی سیگنال.

اساس کامپیوتر‌ها، دیجیتال یا سیستم صفر و یکی است. بنابراین هر داده‌ای پیش از آنکه به کامپیوتر فرستاده شود باید به صورت صفر و یک تبدیل شود. این فرآیند را دیجیتال‌سازی یا Digitalizing می‌گویند. از سوی دیگر، سیگنال خروجی از سنسور‌ها آنالوگ هستند. سیگنال‌های آنالوگ سیگنال‌هایی پیوسته می‌باشند. در شکل زیر یک سیگنال آنالوگ پس از تبدیل شدن به سیگنالی دیجیتال را مشاهده می‌کنیم.

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید پس از تبدیل یک سیگنال آنالوگ به دیجیتال، داده‌ها از حالت پیوسته به شکلی گسسته (یک موج سینوسی دندانه‌دار) تبدیل می‌شوند. در نتیجه‌ی این فرآیند مقداری از داده‌های آنالوگ از دست بروند. هرچه دستگاه دیجیتال کننده رزولوشن (Resolution) بالاتری داشته باشد، موج سینسوی دیجیتال گسستگی کمتری داشته و بیشتر به موج آنالوگ شبیه است. تصویر زیر اثر رزولوشن بر کیفیت سیگنال دیجیتال را نشان می‌دهد.

بنابراین در کارت‌های داده‌برداری یا DAQ CARD هرچه رزولوشن کارت‌ها بیشتر باشد، تعداد داده‌های کمتر در فرآیند دیجیتال سازی از بین خواهد رفت. یکی از معروفترین شرکت‌هایی که با کیفیت‌ترین کارت‌های داده‌برداری را می‌سازد شرکت امریکایی نشنال اینسترومنتز (National Instruments) است. تمام یا بخش عمده‌ای از فرآیندهای پردازش سیگنال توسط کارت‌های داده‌برداری شرکت نشنال اینسترومنتز قابل انجام هستند.

کامپیوتر‌ها، سخت‌افزار، نرم‌افزار

به محض اینکه سیگنال پردازش (تقویت، نویزگیری و تبدیل به دیجیتال) شد، برای ذخیره سازی و تجزیه و تحلیل باید به کامپیوتر ارسال شود. معمولا برای ارسال داده‌ها به کامپیوتر از پورت‌های موازی یا پورت USB استفاده می‌شود. روش دیگر استفاده از کارت‌های داده‌برداری با قابلیت اتصال به اسلات مادربرد است. در صورت استفاده از این روش ممکن است با مشکل محدودیت درگاه اتصال PCI یا PCIe برروی مادربرد روبرو شویم. برای رفع این مشکل یک روش، تجمیع سازی چندین سیگنال و ارسال آنها به صورت همزمان به کامپیوتر است. برای این منظور می‌توان از کارت‌های داده‌برداری با چندین کانال آنالوگ ورودی (Analog Input) استفاده کرد. مرحله بعدی ارسال داده‌ها به نرم‌افزار برای پردازش آنهاست. امروزه، طیف گسترده‌ای از راه‌حل‌های مختلف نرم‌افزاری (Software Solution) برای کار با DAQها وجود دارد و انتخاب هریک از آنها به نوع داده‌های جمع آوری شده و نحوه پردازش آنها بستگی دارد. یکی از معروف‌ترین این نرم‌افزار‌ها زبان برنامه‌نویسی گرافیکی LabVIEW است. لب‌ویو محصول نرم‌افزاری تخصصی شرکت NI بوده و با هدف برقراری ارتباط بین کارت‌های DAQ و رایانه توسعه داده شده است.

منبع: سایت ni-daq.ir