如何更好地進(jìn)行數據采集

如何更好地進(jìn)行數據采集

工程師經(jīng)常需要進(jìn)行數據采集來(lái)驗證產(chǎn)品的性能和指標，或者對一些特定的應用進(jìn)行監測和控制，以便確定其物理參數，例如溫度、應力、壓力和流量。在設計產(chǎn)品時(shí)，工程師需要進(jìn)行各種測量以確保其產(chǎn)品能夠達到預期的技術(shù)指標。例如在電源表征應用中，工程師可能會(huì )測量不同負載條件下的電源輸出。在所有負載條件下，電壓輸出都必須保持穩定，同時(shí)產(chǎn)品內部的溫度變化也應保持最小?；蛘?，在一家飲料制造廠(chǎng)中，化學(xué)工程師可能需要監測最終產(chǎn)品的液體流量。在液體流量達到最小或最大極限值時(shí)，則需對其進(jìn)行調整。

　　在某些情況下，采集此類(lèi)數據可能非常困難。有沒(méi)有更好的辦法來(lái)采集數據，并保證數據是有效的？本文介紹了幾種數據采集應用，并將說(shuō)明一些不同的工具如何幫助您采集和分析數據。

　　在本文中，我們將探討這些應用的具體情況，并向您介紹通過(guò)選擇適合的數據采集設備，將會(huì )為您的數據采集和分析帶來(lái)哪些幫助。

　　選擇測量設備

　　在數據采集過(guò)程中，許多測量都需要使用傳感器將物理現象轉換為電壓、電阻或頻率，再使用適當的測量設備（例如數字萬(wàn)用表）對這些電信號進(jìn)行測量。

　　溫度測量是數據采集中最常進(jìn)行的物理測量之一，它可以通過(guò)使用熱電偶、RTD（電阻式溫度探測器）或熱敏電阻傳感器來(lái)實(shí)現。熱電偶是一個(gè)由兩種不同金屬構成的接點(diǎn)，而該接點(diǎn)在受熱時(shí)會(huì )產(chǎn)生電壓。將該電壓與一個(gè)參考接點(diǎn)進(jìn)行比較，用兩者的差值來(lái)確定相關(guān)的溫度。RTD 和熱敏電阻是以電阻為基礎制成的傳感器。隨溫度的變化，傳感器的輸出電阻將出現相應的改變。您應當根據測量的類(lèi)型以及應用所需的精度和線(xiàn)性度選擇合適的傳感器。

　　幾乎所有的萬(wàn)用表都可以測量傳感器產(chǎn)生的電壓或電阻，但并非所有的萬(wàn)用表都可以將電壓或電阻轉換為物理測量值顯示。例如，如果您使用熱電偶進(jìn)行溫度測量，就需要一個(gè)具有自動(dòng)轉換程序的萬(wàn)用表。使用這些內置的轉換程序，可以將原始的熱電偶測量結果從電壓值轉換為溫度值。

　　因此在進(jìn)行物理測量時(shí)，例如上述的電源表征應用，必須選擇一個(gè)具有自動(dòng)轉換程序的儀器。與此同時(shí)，如果您希望進(jìn)一步地簡(jiǎn)化數據采集和分析過(guò)程，請選擇具有下列特性的數據采集設備：
?支持數學(xué)方程， 如Mx + B，可以方便地轉換其他的傳感器輸出
?在信號的測量結果超過(guò)預定限制閾值時(shí)能夠觸發(fā)硬件報警
?包含前端多路復用器，可以將多個(gè)測量點(diǎn)或傳感器連接到一個(gè)測量?jì)x器
?包含能夠幫助進(jìn)行數據采集和分析的軟件

　　使用軟件工具采集并分析數據

　　軟件工具也可以讓數據采集和分析變得更簡(jiǎn)單。一般來(lái)說(shuō)，軟件工具可以簡(jiǎn)化儀器的連接，同時(shí)無(wú)需任何編程即可進(jìn)行數據采集和分析。Microsoft ?- Excel 是一種最常見(jiàn)的數據分析工具 。大多數的 PC 中都裝有 Microsoft excel，它的使用非常廣泛。作為一款功能強大的電子表格應用軟件，它支持插入公式，并包含許多內置的制圖功能。部分廠(chǎng)商還提供了 Microsoft Excel 插件，以幫助設置和采集數據。這些產(chǎn)品充分利用微軟的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，可以將采集到的數據直接捕獲到 Microsoft Excel 中。隨后，用戶(hù)使用微軟內置的公式和繪圖工具，對這些數據進(jìn)行處理并繪制成圖形。但該工具需要用戶(hù)熟練掌握 Microsoft Excel 的公式和圖形功能。

　　部分儀器廠(chǎng)商還提供了其他的應用軟件，以擴展儀器的功能，使之更好地適用于特定任務(wù)。對于數據采集，這些軟件產(chǎn)品可以簡(jiǎn)化儀器的連接，根據需要輕松定義不同的測量、限制閾值和動(dòng)作。也可以預定或根據特定事件觸發(fā)數據采集。諸如標度和數學(xué)公式等特性也可以讓您更方便地對數據進(jìn)行處理和分析。

　　我們將通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，來(lái)詳細描述上述的電源表征應用。需要采集的數據包括溫度、電壓和數字測量結果。在所有負載條件下電壓輸出都必須保持穩定，同時(shí)產(chǎn)品內部的溫度變化也應保持最小。

　　我們使用儀器軟件來(lái)采集和分析這些數據，并選定掃描中包含的獨立通道，指定不同的測量功能、范圍和分辨率值。

　　圖 1 中，通道 1001 至 1005 設置為測量電源中的不同電壓，通道 1006 至 1010 設置為測量電源內部不同位置的溫度變化。由于該儀器包含熱電偶自動(dòng)轉換程序，因此我們無(wú)需額外進(jìn)行轉換。溫度值直接顯示為攝氏度值。通道 2001 至 2002 是數字通道，用于讀取電源狀態(tài)。

　　Res 列用于指定直流電壓測量分辨率，并選擇測量的溫度標度（攝氏度、華氏度或開(kāi)氏度）。標度功能（即 Mx + B）用于對每個(gè)通道上的讀數應用增益和偏置，并可以用來(lái)定制線(xiàn)性轉換。這在校準損耗、增益或偏置時(shí)十分有用。

　　在每個(gè)通道上設置報警。每個(gè)測量結果都會(huì )與報警限制閾值進(jìn)行比較。如果測量結果超出限制閾值，就會(huì )觸發(fā)報警。通道 1001 至 1005 上設置了低電壓/高電壓報警閾值，以確保電壓的穩定性。因此，如果電壓輸出超出限制閾值，則會(huì )觸發(fā)硬件報警 1，開(kāi)關(guān)閉合，并關(guān)閉電源。

　　通道 1006 至 1010 上的報警設置用于控制電源內部的溫度。如果內部溫度過(guò)高，就會(huì )觸發(fā)硬件報警 2，開(kāi)關(guān)閉合，提高變速風(fēng)扇的轉速。如果溫度降低，將會(huì )觸發(fā)報警 3，再次降低變速風(fēng)扇的轉速。

　　為進(jìn)行進(jìn)一步的分析，可以加入計算通道以進(jìn)行基本的數學(xué)、功率公式或應力公式運算，例如加、乘、除、平方根、dBM、全橋和半橋。

　　圖 1 使用標準軟件工具采集和分析數據

　　一旦完成對這些通道的配置后，即可預定掃描，在特定時(shí)間采集數據。

　　該軟件包會(huì )伴隨儀器免費提供。此外還有一些更高級的軟件包，可以提供更多的控制功能，并允許用戶(hù)設定限制閾值，指定在超出限制閾值時(shí)將會(huì )執行的動(dòng)作。這些軟件包還可以使用通用 SCPI 命令控制其他儀器。圖 2 顯示了某個(gè)應用的數據采集結果，其中一個(gè)掃描列表用于監測電爐（oven）溫度，一旦溫度趨于穩定，將發(fā)送一個(gè) SCPI 命令來(lái)改變電源輸出，繼而開(kāi)始新的掃描，并采集新的數據。

　　圖 2 繪制多個(gè)掃描列表（包含極限值和動(dòng)作腳本）的圖形

　　使用以太網(wǎng)進(jìn)行遠程數據采集

　　許多新型儀器都具有以太網(wǎng)接口，使您可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )輕松訪(fǎng)問(wèn)測試設備。測試與測量行業(yè)中的多家領(lǐng)先制造商和用戶(hù)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一個(gè)全新的 LXI（儀器在局域網(wǎng)中的擴展）行業(yè)標準。該標準以經(jīng)過(guò)驗證的以太網(wǎng)標準為基礎，對儀器的交互操作做出了規定。因此，不同廠(chǎng)商所生產(chǎn)的 LXI 儀器都會(huì )具有類(lèi)似的實(shí)現模式。LXI 標準的主要方面包括：

　　?通信和連接方案的以太網(wǎng)標準
?定義了編程驅動(dòng)程序、接口發(fā)現和接口安全規則的接口標準
?從 Web 瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)數據的儀器 Web 服務(wù)器要求
?時(shí)間同步的觸發(fā)標準
?物理規格標準，包括尺寸、功率、散熱和 LED 指示器等

　　將設備部署在測量位置

　　在數據采集應用中，使用 LXI 儀器可以將測試設備輕松部署在測量位置。對于本文前面提到的負責監控飲料生產(chǎn)流程的工程師來(lái)說(shuō)，需要將測量設備部署在整個(gè)生產(chǎn)車(chē)間的多個(gè)不同位置。連接到網(wǎng)絡(luò )之后，測量設備可以輕松采集測量數據并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到中心電腦：無(wú)需使用 GPIB/LAN 轉換器，也無(wú)需布置很長(cháng)的電纜連接到測量位置。物理布線(xiàn)長(cháng)度的縮短，可以減少噪聲對測量的干擾，降低總體成本。

　　通過(guò)標準的 Web 瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)設備

　　LXI 儀器的另一個(gè)特性就是能夠通過(guò)標準的 Web 瀏覽器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。LXI 儀器中裝有一個(gè) Web 服務(wù)器端程序，用戶(hù)可以通過(guò)它訪(fǎng)問(wèn)和控制該儀器，無(wú)需再安裝任何特殊的軟件。

　　通過(guò)儀器的 Web 服務(wù)器端程序，您可以打開(kāi) Web 瀏覽器，輸入儀器連接網(wǎng)絡(luò )的 IP 地址或主機名，便可通過(guò) Web 瀏覽器直接訪(fǎng)問(wèn)該儀器。

　　LXI 標準定義了對網(wǎng)頁(yè)內容的最低要求。某些儀器只具備基本的功能和簡(jiǎn)單的儀器信息瀏覽界面，只能用于監測；而另一些儀器則具有功能齊全的圖形 Web 界面，用戶(hù)可以通過(guò)該界面全面地訪(fǎng)問(wèn)和控制這些儀器。

　　對于在飲料工廠(chǎng)中負責監控生產(chǎn)流程的工程師，他們可以使用 LXI Web 界面來(lái)監控在不同位置測量得到的結果?；蛘?，借助具有全部測量和控制功能、符合 LXI 標準的儀器，工程師還能夠通過(guò)圖形 Web 界面設置和執行測量。圖 3 顯示了如何使用標準 Web 瀏覽器在開(kāi)關(guān)配置窗口設置和執行溫度測量。

　　由于 LXI 儀器直接支持溫度傳感器并具有內部補償功能，因此傳感器轉換可以在儀器內部完成。溫度測量結果將直接在工程單元中顯示。使用圖形視圖，可以極大幅度地簡(jiǎn)化測量的設置和執行，不需要使用儀器前面板。

　　圖 3：通過(guò) Web 瀏覽器配置、執行測量或只是監視測量結果
總結

　　綜上所述，數據采集和分析在某些情況下會(huì )很困難。使用適當的測量硬件和軟件工具可以簡(jiǎn)化這項工作，并提高采集數據的效用。
?使用具有自動(dòng)轉換程序、數學(xué)運算功能、告警和多通道輸入等特性的儀器，可以輕松進(jìn)行數據采集和解讀。
?使用軟件工具，可以更輕松地實(shí)現數據設置、執行和分析。
?使用符合 LXI 標準的儀器，可以獲得更多優(yōu)勢：通過(guò)嵌入式圖形 Web 界面，遠程訪(fǎng)問(wèn)和控制測量，輕松地進(jìn)行測試設置、執行測試和故障診斷。