Datenerfassung - Data acquisition

Die Datenerfassung ist der Prozess der Abtastung von Signalen, die reale physikalische Bedingungen messen und die resultierenden Abtastungen in digitale numerische Werte umwandeln, die von einem Computer manipuliert werden können. Datenerfassungssysteme, abgekürzt durch die Initialismen DAS, DAQ oder DAU, wandeln typischerweise analoge Wellenformen in digitale Werte zur Verarbeitung um. Zu den Komponenten von Datenerfassungssystemen gehören:

  • Sensoren, um physikalische Parameter in elektrische Signale umzuwandeln.
  • Signalkonditionierungsschaltung, um Sensorsignale in eine Form umzuwandeln, die in digitale Werte umgewandelt werden kann.
  • Analog-Digital-Wandler, um aufbereitete Sensorsignale in digitale Werte umzuwandeln.
Blockschaltbild des digitalen Datenerfassungssystems

Datenerfassungsanwendungen werden normalerweise von Softwareprogrammen gesteuert, die mit verschiedenen universellen Programmiersprachen wie Assembly , BASIC , C , C++ , C# , Fortran , Java , LabVIEW , Lisp , Pascal usw. entwickelt wurden. Eigenständige Datenerfassungssysteme werden oft als Daten bezeichnet Logger .

Es gibt auch Open-Source-Softwarepakete, die alle erforderlichen Tools zum Erfassen von Daten von verschiedenen, typischerweise spezifischen Hardware-Geräten bereitstellen. Diese Werkzeuge stammen aus der wissenschaftlichen Gemeinschaft, in der komplexe Experimente schnelle, flexible und anpassungsfähige Software erfordern. Diese Pakete sind normalerweise maßgeschneidert, aber allgemeinere DAQ-Pakete wie das Maximum Integrated Data Acquisition System können leicht angepasst werden und werden in mehreren physikalischen Experimenten verwendet.

Geschichte

1963 stellte IBM Computer her, die sich auf die Datenerfassung spezialisierten. Dazu gehören das IBM 7700 Data Acquisition System und sein Nachfolger, das IBM 1800 Data Acquisition and Control System . Diese teuren Spezialsysteme wurden 1974 von den S-100- Universalcomputern und Datenerfassungskarten von Tecmar /Scientific Solutions Inc. übertroffen. 1981 führte IBM den IBM Personal Computer ein und Scientific Solutions führte die ersten PC-Datenerfassungsprodukte ein.

Methodik

Quellen und Systeme

Die Datenerfassung beginnt mit dem zu messenden physikalischen Phänomen oder der physikalischen Eigenschaft . Beispiele hierfür sind Temperatur, Lichtintensität, Gasdruck, Fluidfluss und Kraft. Unabhängig von der Art der zu messenden physikalischen Eigenschaft muss der zu messende physikalische Zustand zunächst in eine einheitliche Form überführt werden, die von einem Datenerfassungssystem abgetastet werden kann. Die Aufgabe, solche Transformationen durchzuführen, fällt auf Geräte, die Sensoren genannt werden . Ein Datenerfassungssystem ist eine Sammlung von Software und Hardware, die es einem ermöglicht, physikalische Eigenschaften von etwas in der realen Welt zu messen oder zu steuern. Ein vollständiges Datenerfassungssystem besteht aus DAQ-Hardware, Sensoren und Aktoren, Signalkonditionierungshardware und einem Computer, auf dem die DAQ-Software ausgeführt wird. Wenn eine Zeitmessung erforderlich ist (z. B. für DAQ-Systeme im Ereignismodus), ist ein separates kompensiertes verteiltes Zeitsteuerungssystem erforderlich.

Ein Sensor , bei dem es sich um eine Art Wandler handelt , ist ein Gerät, das eine physikalische Eigenschaft in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandelt (zB Dehnungsmessstreifen , Thermistor). Ein Erfassungssystem zur Messung verschiedener Eigenschaften hängt von den Sensoren ab, die geeignet sind, diese Eigenschaften zu erfassen. Eine Signalkonditionierung kann erforderlich sein, wenn das Signal des Aufnehmers nicht für die verwendete DAQ-Hardware geeignet ist. In den meisten Fällen muss das Signal möglicherweise gefiltert, geformt oder verstärkt werden. Verschiedene andere Beispiele für die Signalkonditionierung können Brückenvervollständigung, Strom- oder Spannungserregung für den Sensor, Isolierung, Linearisierung sein. Für Übertragungszwecke, Single - Ended - Analogsignale , die anfälliger für Rauschen sind , können umgewandelt werden in differenzielle Signale . Nach der Digitalisierung kann das Signal codiert werden, um Übertragungsfehler zu reduzieren und zu korrigieren.

DAQ-Hardware

DAQ-Hardware ist die Schnittstelle zwischen dem Signal und einem PC. Es kann in Form von Modulen vorliegen, die an die Ports des Computers ( parallel , seriell , USB usw.) oder an Steckplätze angeschlossene Karten ( S-100-Bus , AppleBus, ISA, MCA , PCI, PCI-E usw.) .) in einem PC-Motherboard oder in einer modularen Kiste ( CAMAC , NIM , VME ). Manchmal werden Adapter benötigt, in diesem Fall kann eine externe Breakout-Box verwendet werden.

DAQ-Karten enthalten oft mehrere Komponenten (Multiplexer, ADC, DAC, TTL-IO, Hochgeschwindigkeits-Timer, RAM). Diese sind über einen Bus von einem Mikrocontroller zugänglich , der kleine Programme ausführen kann. Ein Controller ist flexibler als eine fest verdrahtete Logik, aber billiger als eine CPU, so dass es zulässig ist, ihn mit einfachen Polling-Schleifen zu blockieren. Zum Beispiel: Warten auf einen Trigger, Starten des ADC, Nachschlagen der Zeit, Warten auf das Ende des ADC, Verschieben des Werts in den RAM, Umschalten des Multiplexers, Erhalten des TTL-Eingangs, Lassen Sie den DAC mit der Spannungsrampe fortfahren.

DAQ-Gerätetreiber

DAQ-Gerätetreiber werden benötigt, damit die DAQ-Hardware mit einem PC funktioniert. Der Gerätetreiber führt Low-Level-Register-Schreib- und -Lesevorgänge auf der Hardware durch, während er API für die Entwicklung von Benutzeranwendungen in einer Vielzahl von Programmen freigibt.

Eingabegeräte

Hardware

DAQ-Software

Spezielle DAQ-Software kann mit der DAQ-Hardware geliefert werden. Zu den Softwaretools, die für den Bau großer Datenerfassungssysteme verwendet werden, gehören EPICS . Andere Programmierumgebungen, die zum Erstellen von Datenerfassungsanwendungen verwendet werden, umfassen Ladder Logic , Visual C++ , Visual Basic , LabVIEW und MATLAB .

Verweise

Weiterlesen

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Siehe auch