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学霸笔记 | 如何选择合适的DAQ(数据采集)设备:总线和组成结构

作者:www.cechina.cn2021.09.29阅读 2919

  在选择DAQ设备时,你有没有考虑过这些影响因素?
  ——组成结构和坚固性的选择将决定系统适用的场景,比如是受控的实验室还是难以预测的现场。
  ——所选择的总线不仅可以决定DAQ系统的吞吐量和延迟,还可以决定测量设备的便携性。
  今天,我们就系统地梳理下为测量应用选择合适的总线和组成结构时,需要考虑的6大技术因素。Ps:本文摘自NI专家亲自编写的实用手册,一起来看看“学霸笔记”吧。
  01、此总线需要处理的数据量有多大?
  所有PC总线在一定时间内可传输的数据量都是有限的。这种限制称为总线带宽,单位通常是兆字节每秒(MB/s)。如果动态波形测量对于应用十分重要,务必使用带宽足够的总线。
  根据您选择的总线,总带宽可以在多个设备之间共享,也可以专用于特定设备。例如,PCI总线的理论带宽为132 MB/s,由计算机的所有PCI板卡共享。千兆以太网提供125 MB/s的带宽,由子网或网络的设备共享。提供专用带宽的总线(如PCI Express和PXI Express)可为每台设备提供最大数据吞吐量。
  进行波形测量时,需要根据信号变化的速度达到特定采样率和分辨率。每次采样的字节数(下一个字节取整)乘以采样速度,再乘以通道数,即可得出所需的最小带宽。
  例如,在四个通道上以4 MS/s的速度采样的16位设备(2字节)将是:
  
  您的总线带宽需要能够支持数据采集的速度,需要注意的是,系统的实际带宽往往低于理论上的最高总线带宽。系统的实际带宽,取决于系统中的设备数量以及占用总线带宽的额外开销。如需在多个通道上传输大量高分辨率数据,在选择DAQ总线时,带宽可能是最重要的考量因素。
  02、我对单点I/O有何要求?
  需要单点读写的应用往往需要实时且持续地更新I/O值。基于总线架构的软硬件实现方式,单点I/O需求可能是您选择总线的决定性因素。例如,对于比例积分微分(PID)控制系统,单点I/O非常重要,而且总线延迟会直接影响控制回路的最快速度。
  总线延迟反映了I/O的响应速度,指的是调用驱动程序软件函数与更新I/O实际硬件值之间的时间延迟。根据所选择总线的不同,延迟从<1 μs到数ms不等。
  单点I/O应用的另一个重要因素是确定性,衡量的是I/O按时执行的持续性。确定性对于控制应用十分重要,因为它直接影响控制回路的稳定性。
   ps:本文摘自《如何选择合适的DAQ设备:总线和组成结构》手册,这是测量系统构建指南的重要章节。详细内容,请点击??阅读原文查看完整版手册。
  03、该系统需达到何种便携程度?
  便携式计算为基于PC的数据采集带来了新的创新方式。便携性很容易成为选择某一种总线的主要原因。例如,车载DAQ应用得益于结构紧凑以及方便携带的硬件。
  USB和以太网等外部总线可实现快速硬件安装,并且与笔记本电脑兼容,因此特别适用于便携式DAQ系统。通过USB端口供电的总线供电型USB设备可提供更多的便利,因为它们并不需要单独的电源。
  04、计算机距离测量对象有多远?
  在不同的应用中,需要测量的物体和计算机之间的距离各不相同。为了达到卓越的信号完整性和测量准确度,DAQ硬件应该放置在尽可能靠近信号源的位置。
  使用很长的线缆进行跨桥梁或车间布线不仅成本昂贵,而且还可能会导致信号嘈杂。可解决此问题的一种方案是使用便携式计算平台,将整个系统移动到更靠近信号源的地方。借助无线通讯技术,计算机和测量硬件之间不需要进行物理连接,且可以采取分布式测量,将数据发回到一个集中地点。
  05、系统需要达到何种坚固程度?
  现在,需要走出实验室环境进行的测试越来越多,因此选择DAQ设备时,需要考虑DAQ系统所处的环境,并确保DAQ系统能够适用于这类环境。查看工作温度以及冲击和振动等级:对于极端环境,需要考虑进入防护(IP)等级,该等级表示的是设备的防尘和防水等级。例如,FieldDAQ设备的IP等级为IP65和IP67,这意味着设备具有防尘、防喷水和防水浸的能力。
  06、我是否需要同步多个设备?
  许多测量系统都有复杂的同步需求,比如同步数百个输入通道或者同步不同类型的仪器。例如,激励-响应系统可能要求多个输出通道共享相同的采样时钟,并将启动触发器作为输入通道,以便关联I/O并更好地分析结果。
  不同总线上的DAQ设备可提供不同的方式来实现这一点。同步技术通常可分为两种类型:基于信号或基于时间。
  基于信号的技术可在设备之间提供最紧密的同步,基于时间的同步技术可简化设备之间的同步。手册中对这部分内容有详细的介绍,实不相瞒,手册中还有很多关于仪器的选择方法的介绍,请点击??阅读原文下载手册完整版。
  根据前面概述的这些问题,下表展示了最常见的DAQ总线的选型指南。

基于应用需求进行NI产品总线选型

  怎么为基于PC的系统选择合适的DAQ总线呢?可供选择的总线和组成结构有许多,本部分重点介绍的是为基于PC的系统选择合适的总线:
  ●  PCI和PCI Express
  ●  USB总线
  ●  PXI和PXI Express
  ●  以太网总线

这些NI DAQ产品使用了多种总线和架构,包括PXIe、PCIe、USB和以太网