مطالبی کوتاه در رابطه با سامانه‌های داده‌برداری

شکل ‏4 2: اجزاي يک سيستم داده‌برداري

۱- خلاصه

عنوان سند مطالبی کوتاه در رابطه با سامانه‌های داده‌برداری
تهیه کننده علیرضا علی‌حسینی
موضوع سامانه داده‌برداری
نوع فایل مقاله
کلیدواژه داده‌برداری، تست، اندازه‌گیری، نرم‌افزار، لب ویو، LabVIEW

۲- مقدمه

ريزپردازنده‌ها، ريزکنترلکننده‌ها، رايانه‌هاي تک‌برد و رايانه‌هاي شخصی، امروزه به طور گسترده در سيستم‌هاي اندازه‌گيري استفاده مي‌شود و براي مهندسين، فهميدن چگونگي بدست آوردن مستقيم اطلاعات آنالوگ و اطلاعات از محيط اطراف با اين وسايل، به طور فزاينده‌اي اهميت يافته است. براي نمونه، سيگنال خروجي يک حسگر را به صورت سيگنال آنالوگي که در شکل زیر نشان داده شده است در نظر بگيريد. سيگنال را با وسيله‌ي آنالوگي مانند ثبت‌کننده‌ي نمودار، که به صورت فيزيکي سيگنال را روي کاغذ ترسيم مي‌نمايد، يا با نمايش آن توسط نوسان‌نما، مي‌توان ثبت نمود. گزينه‌ي ديگر اين است که اطلاعات توسط ريزپردازنده يا رايانه ذخيره شود. اين فرايند را جمع‌آوري داده يا داده‌برداری  (Data Acquisition) به صورت رايانه‌اي مي‌نامند.

براي دادن اطلاعات يا داده‌ي آنالوگ (قياسي) به مدار ديجيتال (رقمي) يا ريزپردازنده، ابتدا لازم است که داده‌هاي آنالوگ به مقادير ديجيتال سازگار با پردازنده‌ي ديجيتالي تبديل شود. مرحله‌ي اول، ارزيابي عددي سيگنال، در لحظاتي جداگانه از زمان مي‌باشد. اين فرايند را نمونه‌برداري  (Sampling) گويند و نتيجه‌ي آن چنانکه در شکل زیر نشان داده شده، سيگنال ديجيتال شده است که ترکيبي از مقادير گسسته‌ي مطابق با هر نمونه مي‌باشد. بنابراين سيگنال ديجيتالي شده ترتيبي از اعداد است که تقريبي براي سيگنال آنالوگ مي‌باشد.

سيگنال آنالوگ و معادل نمونه­ برداري شده‌­ي آن

شکل ۲-۱: سيگنال آنالوگ و معادل نمونه­ برداري شده‌­ي آن

۳- برقراري ارتباط بين رايانه و دنياي خارج

علت اصلي استفاده از نرم‌افزار LabVIEW، قابليت جمع‌آوري داده‌ها يا داده‌برداري مي‌باشد. همانگونه که مي‌دانيد به کمک اين بسته‌ي نرم‌افزاري و با جمع‌آوري داده‌ها از دنياي خارج از رايانه توسط کارت‌هاي داده‌بردار (DAQ) و GPIB و غيره مي‌توان رايانه را به يک سيستم اندازه‌گيري مجازي تبديل نمود.

سيستم اندازه‌گيري مجازي يا به اصطلاح VI، پايه و اساس آزمايشگاه‌هاي نوين و امروزي است. مجموعه‌ي سيستم اندازه‌گيري مجازي شامل يک دستگاه رايانه، نرم‌افزار مربوط و کارت‌هايي است که تجهيزات و ابزار آزمايشگاهي را شبيه‌سازي مي‌کنند. اين نرم‌افزار همان برنامه‌اي است که آن را LabVIEW مي‌ناميم.

اگرچه اين بسته‌ي نرم‌افزاري، ابزاري قدرتمند جهت شبيه‌سازي داده‌هاست، اما در بيشتر موارد براي جمع‌آوري داده‌ها و برقراري ارتباط بين رايانه و دنياي خارج نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرد. به عنوان نمونه به کمک نرم¬افزار LabVIEW مي‌توان از کارت‌هاي داده‌بردار جهت جمع‌آوري داده و يا توليد سيگنال‌هاي آنالوگ و ديجيتال استفاده نمود.

به کمک اين کارت‌ها و نرم‌افزار LabVIEW مي‌توان دماي يک محيط را تحت کنترل و نظارت قرار داد، سيگنال‌هايي را به يک سيستم ديگر ارسال نمود و يا مقدار فرکانس (بسامد) يک سيگنال ناشناخته را تعيين کرد.

با به کارگيري نرم‌افزار LabVIEW و کارت‌هاي GPIB يا درگاه‌هاي سريال رايانه مي‌توان داده‌ها را به آساني جمع‌آوري نمود. جهت برقراري ارتباط بين رايانه و نوسان‌نما، مولتي‌متر، اسکنر و همچنين براي بهره‌برداري از سيستم‌هاي اندازه‌گيري که در فواصلي دور از سيستم کنترل خود قرار دارند مي‌توان از کارت‌هاي GPIB استفاده کرد. به کمک اين بسته‌ي نرم‌افزاري مي‌توان پس از جمع‌آوري داده‌ها به کمک چند VI که جهت تجزيه و تحليل داده‌ها در LabVIEW، داده‌ها را پردازش کرده و آن‌ها را نمايش داد.

۴- جمع‌آوري داده يا داده‌برداري  (DAQ)

DAQ به طور خلاصه به اندازه‌گيري يک سيگنال (نشانک) حقيقي نظير ولتاژ و ارسال آن به رايانه جهت پردازش، تجزيه و تحليل، ذخيره و اعمال تغييرات اطلاق مي‌گردد. سيستم‌هاي جمع‌آوري داده يا داده‌برداري، واسطه‌اي بين دنياي کميت‌هاي فيزيکي که ذاتاً آنالوگ هست با دنياي رايانه و سيگنال‌هاي ديجيتال فراهم مي‌کنند. زير سيستم اصلي يک سيستم داده‌برداري عبارت‌اند از: تراگردان (مبدل)، مدارهاي آمايش سيگنال، تافتگر  (Multiplexer)، مدار نمونه‌بردار و نگهدار، و مبدل A/D  (آنالوگ به ديجيتال). در شکل زير اجزاي يک سيستم داده‌برداري نشان داده شده است.

شکل ‏4 1: اجزاي يک سيستم داده‌برداري

شکل ‏۴ ۱: اجزاي يک سيستم داده‌برداري


شکل ‏4 2: اجزاي يک سيستم داده‌برداري

شکل ‏۴ ۲: اجزاي يک سيستم داده‌برداري

در شکل بالا منظور از پديده‌هاي فيزيکي، کميت فيزيکي مورد نظر يا همان سيگنال است. اين سيگنال ممکن است سرعت، درجه حرارت، رطوبت، فشار، pH، مقدار جريان، سيگنال وضعيت روشن و خاموش شدن يک سيستم، شدت نور و … باشد. حسگرها و تراگردان‌ها کميت فيزيکي مورد نظر را مي‌سنجند و يک سيگنال الکتريکي متناسب با مقدار اندازه‌گيري شده توليد مي‌کنند. به عنوان نمونه ترموکوپل‌هايي که مي‌توان آن را نوعي تراگردان فرض کرد، درجه حرارت را به ولتاژ تبديل مي‌کنند. اين سطوح ولتاژ توسط «مبدل آنالوگ به ديجيتال» که به طور خلاصه آن را با A/D نمايش مي‌دهند، قابل اندازه‌گيري خواهند بود. نمونه‌هاي ديگري از تراگردان‌ها عبارت‌اند از گيج‌هاي کشش، جريان‌سنج‌ها و مبدل‌هاي فشار که به ترتيب جهت اندازه‌گيري نيرو، مقدار جريان و فشار مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در هر يک از حالات مذکور، سيگنال الکتريکي ايجاد شده توسط مبدل با کميت فيزيکي مورد نظر متناظر است.

به کمک نرم‌افزار LabVIEW و کارت‌هاي داده‌بردار مي‌توان سيگنال آنالوگ را با استفاده از مبدل A/D قرائت نمود. با به کارگيري اين نرم‌افزار و کارت‌هاي مذکور مي‌توان در موارد زير از قابليت‌هاي اين نرم‌افزار استفاده نمود:

خواندن سيگنال‌هاي آنالوگ با استفاده از مبدل A/D، توليد سيگنال‌هاي خروجي آنالوگ به کمک مبدل D/A، خواندن و يا ارسال سيگنال‌هاي ديجيتال، اعمال تغيير در شمارنده‌هاي موجود در کارت‌ها جهت اندازه‌گيري بسامد (فرکانس)، توليد پالس و غيره.

در شکل زير يک نمونه از کارت داده‌بردار نشان داده شده است.

شکل ‏4 3: نمونه‌اي از یک کارت داده‌برداری پی‌سی‌آی

شکل ‏۴ ۳: نمونه‌اي از یک کارت داده‌برداری پی‌سی‌آی

«واحد‌هاي آمايش (تطبيق) سيگنال» یا Signal Conditioning Modules سيگنال‌هاي توليد شده توسط مبدل‌ها را با سيگنال‌ها و سطوح ولتاژ قابل قبول براي کارت‌هاي داده‌بردار منطبق مي‌سازند. به عنوان نمونه فرض کنيد که مي‌خواهيد ولتاژهاي فشار قوي سيستم روشنايي شهر را مورد بررسي قرار دهيد و آن‌ها را تجزيه و تحليل کنيد. در صورت عدم استفاده از اين واحد‌ها، رايانه، کارت‌هاي داده‌بردار و اجزاي ديگر مورد استفاده در اين پروژه از بين خواهند رفت و موجب وارد آمدن خسارات جبران‌نا‌پذيري خواهند شد.

واحد‌هاي آمايش سيگنال، اعمالي نظير تقويت، تضعيف، خطي‌سازي‌‌‌، فيلتر کردن، ايزوله‌سازي ‌‌‌و غيره را انجام مي‌دهند. در بيشتر موارد، استفاده از اين واحد‌ها الزامي است، مگر در مواردي معدود که سيگنال (نشانک) مورد بحث از نوع ديجيتال (رقمي) بوده و سطح ولتاژ آن نيز پايين باشد. در هنگام استفاده از اين واحد‌ها بايد مواظب بود که از نظر الکتريکي به رايانه و کارت‌هاي داده‌بردار آسيبي وارد نگردد. در مورد استفاده از واحد‌هاي آمايش، حالت امتحاني يا انتخابي وجود نداد، يعني براي به کارگيري يک واحد آمايش (تطبيق) نمي‌توان از روش «سعي و خطا» استفاده کرد، بلکه بايد قبل از شروع به کار حتماً شرايط و انطباق پارامترها و موارد خواسته شده با واحد مربوط را بررسي نمود.

همانگونه که اشاره شد، استفاده از واحد‌هاي آمايش به مواردي همچون شرايط، نوع سيگنال و سطح ولتاژ سيگنال توليد شده توسط مبدل‌ها بستگي دارد. به عنوان نمونه‌‌‌، فرض کنيد که کميت فيزيکي مورد بحث، «دماي محيط» باشد. براي اندازه‌گيري دما توسط نرم‌افزار LabVIEW بايد ابتدا حسگر گرمايي را به يکي از درگاه‌هاي ورودي آنالوگ در کارت داده‌بردار ارتباط دهيم. جهت بقراري ارتباط مذکور در بيشتر موارد، استفاده از واحد آمايش الزامي است. نوع اين واحد نيز به نوع حسگر و سطح سيگنال (نشانک) ايجاد شده بستگي دارد پس از انتخاب يک واحد مناسب با استفاده از VIهاي مربوط به داده‌بردار که در نرم‌افزار تعبيه شده است، مي‌توان سطح ولتاژ کانال کارت داده‌بردار را خواند و داده‌ها را بر روي صفحه به نمايش در آورده و اين داده‌ها را ذخيره نمود و سپس به بررسي و تجزيه و تحليل آن‌ها پرداخت.
در شکل زیر يک نمونه از سيستم داده‌برداري نشان داده شده است.

شکل ‏4 4: نمونه‌اي از سيستم داده‌برداري

شکل ‏۴ ۴: نمونه‌اي از سيستم داده‌برداري

۵- جمع‌بندی

در این گزارش در رابطه با سامانه‌های داده‌برداری، اجزای آن و نرم‌افزار لب‌ویو (LabVIEW) مطالب مختصری ارائه گردید.

۶- مراجع

۱- کتاب راهنماي جامع LabVIEW، نوشته فربد قابوسی، چاپ اول. تهران: نشر آفرنگ، ۱۳۸۲
۲- کتاب «مکاترونيک» نوشته عليرضا نداف اسکويي؛ کيومرث  قلي‌پور چناري و عباسعلي فرقاني اله-آبادي، چاپ اول. تهران: نشر سپاهان، ۱۳۸۶
۳- کتاب ابزارها و اندازه‌گيري الکترونيکي، نوشته لاري دي، جونز؛ اي فاستر، چين، ترجمه ناييني، محمدمهدي. چاپ اول. تهران: انتشارات دانشگاه شريف، ۱۳۸۲