從設計確認和驗證到加速壽命和生產測試，數據采集 （DAQ） 是各種研究和工程設計活動中的一項關鍵功能。雖然 DAQ 系統的關鍵元件很簡單：傳感器、測量硬件和軟件；但除此之外，事情可能變得相當復雜。

　　系統可能需要測量各種各樣的物理現象，因此必須非常靈活且可擴展，同時還要堅固、可靠，而且成本始終是一個考慮因素。因此，要指定 DAQ 系統規格并搭建系統，這一過程非常復雜。如果系統規格過高，成本就會很高，而且使用起來可能很麻煩。如果規格不足，則無法適應當前或未來的任務。為了解決這一難題，設計人員可以采取模塊化的方法，即先使用帶有多個插槽的高性能堅固機箱，然后隨著時間的推移，增加所需的處理性能、功能和連接選件。

　　本文將介紹規格設計人員需要了解的 DAQ 系統性能指標，包括模擬信號的數字化、奈奎斯特采樣定理和混疊、輸入范圍、采樣率，以及多路復用采樣與同步采樣。然后展示一種基于 National Instruments 的 CompactDAQ 機箱、模擬和數字 I/O 模塊及軟件組件（包括開發環境選項、驅動程序和分析/報告工具）的模塊化方法。

　　DAQ 的要求和性能指標

　　如前所述，一個基本的 DAQ 包括傳感器、信號調節、模數轉換器 （ADC）、處理器和相關的軟件（圖 1）。設計人員的任務是根據所測量和分析的內容來匹配系統元素，同時控制成本和設置時間。

圖 1：DAQ 系統由傳感器、提供信號調節和數據轉換的 DAQ 測量設備以及包括驅動程序和應用軟件的計算資源組成。（圖片來源：NI）

　　為了匹配這些元素，需要認識到精度、信號幅度和信號頻率是 DAQ 系統的基本參數，這一點非常重要。這些參數分別轉換為測量分辨率、量程和速率。在許多應用中，分辨率是最重要的考慮因素。分辨率定義了可用測量值的數量。例如，具有 3 位分辨率的設備可以測量 8 （23） 個可能的值，而具有 6 位分辨率的設備可以測量 64 （26） 個可能的值（圖 2）。分辨率越高，轉換的測量值所反映的信號越精確。

圖 2：DAQ 設備的精度轉換為分辨率；具有 6 位分辨率的 DAQ 設備提供的信息量是具有 3 位分辨率的設備的 8 倍（8 倍精度）。（圖片來源：NI）

　　給定的 ADC 將被設置為在設定的輸入范圍（例如 ±10 伏）內進行測量，并且 DAQ 設備的分辨率適用于總量程。如果在更小的范圍進行測量，例如 ±2 伏，得到的測量值分辨率將是指定的 DAQ 設備分辨率的一小部分（在本例中約為 20%）（圖 3）。使用具有可選擇輸入范圍的 DAQ 設備可以解決這個問題。常見的輸入范圍包括 ±10 伏、±5 伏、±1 伏和 ±0.2 伏。根據信號范圍調整輸入范圍，可以提高測量的質量。

圖 3：使用具有 3 位分辨率、±10 伏量程的 DAQ 設備（分別對應左側的紅線以及量程頂部和底部的黃色虛線）來測量 ±2 伏的信號（白色正弦波），將會導致精度顯著下降。（圖片來源：NI）

　　采樣率、奈奎斯特和過采樣

　　采樣率是 ADC 將模擬輸入轉換為數字數據的速率。采樣率和分辨率可能是負相關的。通常只能通過降低分辨率的位數來提高采樣率，因為采樣率越高，ADC 可用于對信號進行數字化處理的時間就越少。因此，優化采樣率非常重要。

　　這便是奈奎斯特采樣定理起作用的地方：它指出，當采樣率 fs 超過最大信號頻率的兩倍時，可以準確測量原始信號的頻率。該頻率被稱為奈奎斯特頻率 fN。為了準確測量原始信號的形狀和頻率，奈奎斯特定理要求 fs 為最大信號頻率的 5 到 10 倍。使用高于 fN 的采樣率稱為過采樣。

　　除了解 fN 之外，混疊和重影也是在優化 fs 時需要應對的挑戰。混疊是一種由于采樣率過低，無法準確捕捉高頻內容而導致采樣信號頻譜出現失真的效應。過采樣可以消除混疊。過采樣對于捕捉快速信號邊沿、一次性事件和瞬態也很有用。但是，如果 fs 過高，在進行多路復用采樣期間會出現一種被稱為重影的現象。

　　在較高的多路復用采樣率下，需要考慮每個輸入通道的建立時間。當采樣率超過 DAQ 設備的建立時間時，就會出現重影。這時，相鄰通道的信號會發生干擾，導致重影和測量失準（圖 4）。

圖4：在左側，采樣率足夠低，通道 0（紅色）和 1（藍色）上的測量之間有適當的建立時間。而在右側，由于采樣率過高，通道 0 影響了通道 1 上的測量，因而發生了重影。（圖片來源：NI）

　　DAQ 設備的有效采樣率受同步或多路復用架構選擇的影響。同步采樣在每個輸入通道使用一個 ADC，并在所有通道上提供與通道數量無關的完全采樣率（圖 5）。

　　利用同步采樣可以一次采集多個樣本。同步架構相對昂貴，涉及的元器件數量更多，可能會限制單個 DAQ 設備中可用的通道數量。而在多路復用架構中，將使用一個多路復用器 （mux） 在所有通道之間共享一個 ADC，因而減小了每個通道可達到的最大速率。樣本按順序采集，且通道之間存在延遲。多路復用架構的成本較低，并且可以使 DAQ 設備擁有更大的通道密度。

圖 5：同步采樣在所有通道上提供完全數據速率，而在多路復用采樣中，完全采樣速率由所有通道分享，導致每個通道的速率降低。（圖片來源：NI）

　　搭建緊湊型 DAC 系統

　　搭建 DAC 系統的第一步是選擇 CompactDAQ 機箱。機箱可提供各種通信總線，包括 PCI 和 PCI Express （PCIe）、高速 USB、PXI 和 PXI Express （PXIe）、以太網 2.0，以及用于 NI 的 C 系列 I/O 模塊的 1 到 14 個插槽。例如，781156-01 具有 8 個插槽和 1 個 USB 2.0 接口（圖 6）。只需插入模塊，就可以在系統中增加額外的測量類型和通道。系統會自動檢測所有模塊并與機箱背板上的時鐘進行同步。

　　通信總線是機箱規格的一個重要部分（表 1）。USB 提供的 60 Mbps 速率足以滿足大多數應用的需要，而且 USB 具有良好的靈活性和便攜性。以太網可用于實現規模較大的應用，能夠支持更遠的纜線距離和分布式 DAQ 系統。PCI 和 PCIe 總線允許將設備插入到臺式電腦中進行數據記錄和分析。PXI 和 PXIe 總線與 PCI 和 PCIe 相似，但具有超強的同步能力，能夠對大量數據進行整合和比較。

表 1：選擇 DAQ 通信總線是選擇機箱的一個重要部分。總線應與所需的數據傳輸率、距離和便攜性需求相匹配。（圖片來源：NI）

　　在選擇機箱之后，設計人員可以從 60 多個 C 系列模塊中選擇用于測量、控制和通信應用的模塊。C 系列模塊可以連接到幾乎所有的傳感器或總線，并可以進行高精度的測量，以滿足 DAQ 和控制應用的需求（圖 7）。這些熱插拔模塊提供了特定于測量的信號調節來濾除噪聲和隔離數據、模數轉換功能，以及各種輸入連接器。

圖 7：C 系列模塊具有通用的外形尺寸，可以在任何 CompactDAQ 機箱中熱插拔，并有多種輸入接口可供選擇，以滿足不同的應用需求。（圖片來源：NI）

　　C 系列模塊可用于許多 DAQ 和控制功能，包括：

　　模擬輸入模塊具有多達 16 個通道，用于連接電壓、電流和常用傳感器，以測量溫度、聲音、應變、壓力、負載和振動等。

　　NI 9239 是一款四通道通用型模擬輸入模塊。每個通道提供 ±10 伏的量程和 24 位分辨率，并以最大采樣率輸出 50 千樣本/秒 （kS/s） 的數據。

　　模擬輸出模塊提供 2、4 和 16 個通道，可用于生成電壓信號和控制電流驅動的工業致動器

　　NI 9263 是一款四通道模擬輸出模塊，具有美國國家標準技術研究院 （NIST） 可跟蹤校準，以及過壓保護、短路保護、快速壓擺率和高精度等功能特性。

　　數字輸入和輸出模塊可用于生成和讀取數字信號。數字輸入模塊具有 4、6、8、16 和 32 個通道，輸出和雙向模塊則具有 8、16 和 32 個通道。

　　NI 9423 是一款可兼容 24 伏信號的八通道數字輸入模塊，適合與工業邏輯電平和信號一起使用，直接連接到一系列工業開關、換能器、傳感器和其他設備。

　　NI 9472 是一款八通道數字輸出模塊，可兼容 6 至 30 伏信號，并可直接連接到各種工業設備，如致動器、繼電器和電機。

　　軟件集成

　　搭建緊湊型 DAQ 系統的最后一步是軟件。NI-DAQmx 應用編程接口 （API） 可直接與各種開發選項配合使用，包括 LabVIEW、C、C# 和 Python。該 API 可支持在所有 NI 的 DAQ 設備上無縫操作，最大限度減少了因硬件升級或變化而導致的重新開發工作，并且可訪問文檔、幫助文件和許多可隨時運行的軟件示例，加速應用開發。

　　開發人員可以調整每個項目所需的編程水平（圖 8）。FlexLogger 數據記錄軟件提供了一個直觀的、以傳感器為中心的配置開發環境，可與 NI 的 LabVIEW 集成以進行自定義分析。LabVIEW 支持使用交互式分析面板或全功能編程環境配置硬件。高級開發人員可以使用大多數編程語言直接與 DAQmx API 交互，以實現定制和更好的性能。

圖 8：DAQ 軟件選擇流程圖顯示了開發人員如何針對每個項目調整他們想要的編程水平。（圖片來源：NI）

　　結語

　　如果從頭開始設計 DAQ，這可能是一個非常復雜的任務。傳感器、信號調節、處理、I/O 和軟件，都必須滿足現有任務的要求，同時還能隨著時間的推移進行修改和升級。開發人員可以采取模塊化的方法，快速、高效地設計包括傳感器、硬件和軟件的緊湊型 DAQ 系統，所有這些元素都可以隨著時間的推移和應用要求的變化進行更換，而不是將它們簡單地拼接在一起。

　　此外，本文所示的方法支持各種通信總線，包括 PCI 和 PCIe、高速 USB、PXI 和 PXIe 以及以太網 2.0，可滿足特定的系統要求。該方法使用熱插拔模塊提供特定于測量的信號調節來濾除噪聲和隔離數據、模數轉換功能，并且可以選擇輸入連接器的樣式。它還非常靈活，可以與各種測量軟件集成，包括 LabVIEW、C、C# 和 Python。