Системы сбора данных (DAS или DAQ) 

Системы сбора данных, часто сокращенно называемые в английской литературе DAS или DAQ, — это системы, предназначенные для измерения и отслеживания какой-либо физической системы и преобразования этих данных в форму, которая может быть просмотрена и обработана на компьютере.

Разработка и внедрение DAS — сложная область. Первые DAS были разработаны IBM еще в 1960-х годах и представляли собой огромные совокупности компьютеров и аппаратных средств. По мере развития этой области стали доступны более универсальные системы, и, соответственно, теперь можно измерять и анализировать практически любую форму физической системы.

DAS сегодня используются во многих различных областях, от промышленного производства до научных экспериментов, и тип используемой системы зависит от конкретной области применения.

В целом, однако, типы DAS можно разделить на три компонента — датчики, используемые для сбора данных с физических систем, схемы, используемые для передачи этих данных на компьютер, и компьютерная система, на которой они могут быть просмотрены и проанализированы.

Если вы устанавливаете систему DAS, эти три фактора также должны быть учтены. Время, потраченное на обдумывание того, какие именно данные вам нужно собирать, и как вы хотите работать с этими данными после их сбора, может сэкономить значительное время и деньги в дальнейшем.

Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных вариантов во всех этих трех областях.

Датчики

Проектирование любой системы DAS должно начинаться с физической системы, которая подвергается измерению. Благодаря разнообразию доступных сегодня датчиков можно измерить практически любое физическое свойство интересующей вас системы. Поэтому необходимо тщательно продумать, какой именно тип данных вам нужно собрать. 

Примерами распространенных явлений, которые измеряются с помощью DAS, являются температура, интенсивность света, давление газа, поток жидкости и сила.

Для каждой измеряемой переменной существует определенный тип датчика. Датчики, в этом смысле, по сути, являются преобразователями, преобразующими физическую энергию в электрическую. Например, основной датчик давления активируется и приводится в действие давлением, которое он измеряет, и передает эту информацию в виде электронного сигнала в DAS.

По этой причине важно понимать, что невозможно измерить все желаемые переменные без влияния на саму систему. Это связано с тем, что любой датчик будет воздействовать на систему, для измерения которой он предназначен, и отбирать у нее энергию. Это особенно важно, если измеряемая система работает с малыми допусками, поскольку добавление даже небольшого датчика к таким системам может отнять у них слишком много энергии для эффективной работы.

Одним словом, несмотря на то, что, скорее всего, найдется датчик для измерения практически любого аспекта ваших систем, не всегда разумно пытаться измерить каждую переменную. Вместо этого тщательно продумайте, какие данные вам действительно нужны, и используйте минимальное количество датчиков для достижения этой цели.

Обработка сигналов

Как правило, в DAS используется специальное оборудование для передачи сигналов от датчиков к компьютерным системам, которые собирают и анализируют данные. Преобразование беспорядочного, иногда шумного сигнала от физической системы в формат, который может быть использован и обработан на компьютере, может быть непростым делом.

Одним из первых препятствий, которые необходимо преодолеть в этом отношении, является уровень сигнала. Как было сказано выше, обычно датчики разрабатываются таким образом, чтобы отбирать минимально возможное количество энергии от системы, для измерения которой они используются. На практике это также означает, что сигнал, который они выдают, имеет очень низкую интенсивность и должен быть усилен, чтобы быть полезным.

Поэтому очень важно использовать усилитель, способный чисто усиливать сигнал. Зашумленный усилитель в конечном итоге исказит и изменит цвет собранных данных, что в некоторых случаях может сделать их бесполезными.

Еще одна вещь, о которой следует подумать при проектировании DAS, — это тип сигнала, который вы будете использовать для передачи данных между различными частями вашей системы. Большинство датчиков выдают односторонний аналоговый сигнал. Хотя этот тип сигнала хорошо передает исходное состояние измеряемой системы, он также очень восприимчив к шумам и искажениям. Обычным решением этой проблемы является преобразование сигнала, поступающего от датчиков, в дифференциальный сигнал, который гораздо более стабилен и с которым легче работать.

Компьютерное оборудование и программное обеспечение

После усиления и очистки сигнала он должен быть подан в компьютеризированную систему для сбора и анализа. В настоящее время большинство DAS используют стандартное аппаратное обеспечение ПК, что означает, что если компоненты системы выйдут из строя, их можно легко заменить готовыми изделиями.

Прежде всего, сигнал должен быть преобразован в цифровой формат, понятный компьютеру. Обычно для этого используются уже существующие на ПК порты, такие как параллельный порт, USB и т. д. Другой подход заключается в использовании карт, подключенных к слотам на материнской плате. При использовании второго подхода распространенной проблемой является то, что количество портов на PCI-карте слишком мало, чтобы принять все необходимые входы. Чтобы обойти эту проблему, используется разветвитель для объединения нескольких сигналов в один вход.

Карты DAS часто содержат несколько компонентов, способных выполнять обработку сигнала перед передачей его в программное обеспечение. В наиболее продвинутых картах эти функции доступны через шину микроконтроллера, хотя в некоторых более дешевых системах используется жесткая проводная логика. Для обоих типов карт часто требуются проприетарные драйверы устройств.

Следующим этапом обработки сигнала является передача его в программное обеспечение. В настоящее время существует огромное количество различных программных решений для использования с DAQ, и выбор того или иного программного обеспечения зависит от типа собираемых данных и способа их обработки. Однако, как правило, такие системы основаны на общепонятных языках программирования, таких как C++ или MATLAB, что дает широкие возможности для настройки.

Несмотря на эти изменения, рынок сбора данных изменился, и платы DAQ все чаще оказываются устаревшей формой DAQ. На рынке начинают доминировать более новые устройства, которые обеспечивают более надежные функции и возможности, не будучи ограниченными фиксированными картами.

Преимущества устройств DAQifi

Карты DAQ обычно выводят данные по выделенному жесткому каналу, и в прошлые годы это часто означало необходимость использования отдельной рабочей станции ПК для каждого процесса сбора данных. Это не только означало дополнительные расходы на аппаратное обеспечение, но и часто означало, что сведение данных из нескольких процессов вместе было ручным и мучительным занятием. Карты DAQifi передают собранные данные по сети WiFi — либо существующей, либо созданной самим устройством — пользовательскому программному обеспечению.

На практике это означает, что один ПК, планшет или даже смартфон можно использовать для сбора всех данных, объединяя их для простого анализа и манипулирования. Это также означает, что компьютер, используемый для сбора и манипулирования данными, не нуждается в дополнительном оборудовании для этих целей.

Кроме того, устройства DAQifi представляют собой более выгодное решение, чем многие решения на основе плат DAQ. Это связано с тем, что карты DAQ часто изготавливаются для сбора только одного типа данных, и во многих случаях это означает, что для сбора даже самых простых данных необходимо использовать целый банк карт. Гибкость устройств DAQifi делает их более дешевыми для реализации во многих ситуациях.

Это особенно верно в ситуациях, когда портативность имеет первостепенное значение. Тот факт, что устройства DAQifi работают от собственного источника питания, делает их идеальными для ситуаций, когда наличие выделенной рабочей станции ПК просто невозможно. Это относится ко многим промышленным процессам, где окружающая среда не способствует здоровью компьютерного оборудования, а также к ситуациям, когда исследуемая система по своей природе мобильна, например, в автомобилестроении.

Наконец, пользовательский интерфейс, который входит в стандартную комплектацию устройств DAQifi, означает, что их использование невероятно просто по сравнению со многими решениями на основе плат DAQ. Часто, даже в высококлассных научных приложениях, все, что требуется от системы сбора данных, это передача данных на централизованное устройство в формате, с которым легко работать, для последующего анализа.

Именно этого и добиваются устройства DAQifi, поэтому неудивительно, что во многих ситуациях они затмевают решения на основе плат DAQ.