Lời giới thiệu.Năm 1981, khi IBM phát hành máy tính cá nhân đầu tiên của họ hoặc gọi là PC ( nó đã trở thành được biết đến rộng rãi) thiết kế hệ thống mở của nó khuyến khích sự phát triển của một loạt các máy tương thích thêm về các sản phẩm của các nhà phát triển bên thứ ba độc lập. Ngoài ra, thiết kế hệ thống mở đã khuyến khích sự gia tăng của máy tính IBM PC tương thích trên thị trường, dẫn đến một sự gia tăng nhanh chóng tốc độ và sức mạnh của máy tính, như các đối thủ cạnh tranh trên một thị trường.Đi kèm với một sự sụt giảm đáng kể về chi phí và mở rộng nhanh chóng trong phần mềm, sử dụng sự gia tăng sức mạnh của bộ vi xử lý, máy tính bây giờ là nền tảng được sử dụng rộng rãi nhất cho xử lý tín hiệu kỹ thuật số, xử lý ảnh, thu thập dữ liệu, và điều khiển công nghiệp và các ứng dụng truyền thông. Trong nhiều ứng dụng, thực sự thu thập dữ liệu và kiểm soát quá trình, sức mạnh máy tính và tính linh hoạt cho phép nó được cấu hình trong một số cách khác nhau, đều có những lợi thế riêng biệt của nó. Chìa khóa để sử dụng hiệu quả của máy tính là kết hợp cẩn thận các yêu cầu cụ thể của một ứng dụng thu thập dữ liệu cụ thể để các phần cứng và phần mềm thích hợp có sẵn.Chương này xem xét các khái niệm cơ bản của thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống và cấu hình hệ thống khác nhau, giúp cho việc sử dụng máy tính.1.1. Định nghĩa của thu thập dữ liệu và bộ điều khiển.Thu thập dữ liệu là quá trình mà theo đó các hiện tượng vật lý từ thế giới thực được chuyển đổi thành tín hiệu điện được đo và chuyển đổi sang một định dạng kỹ thuật số để phân tích, xử lý và lưu trữ bởi máy tính. Trong một phần lớn các ứng dụng, hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ) được thiết kế không chỉ để có được dữ liệu, nhưng hành động trên là tốt. Trong định nghĩa hệ thống DAQ, do đó nó là hữu ích để mở rộng định nghĩa này bao gồm các khía cạnh điều khiển của hệ thống tổng số. Điều khiển là quá trình mà các tín hiệu điều khiển kỹ thuật số từ hệ thống phần cứng được triệu tập để một định dạng tín hiệu để sử dụng bởi các thiết bị điều khiển như thiết bị truyền động và chuyển tiếp. Các thiết bị này sau đó kiểm soát một hệ thống hoặc quá trình. Trường hợp một hệ thống được gọi là một hệ thống thu thập dữ liệu hoặc hệ thống DAQ, nó có thể là nó bao gồm các chức năng điều khiển cũng.1.2. Những nguyên tắc cơ bản của thu thập dữ liệu.Thu thập dữ liệu và hệ thống điều khiển, dựa trên cường độ và tính linh hoạt của máy tính, có thể bao gồm một loạt các khối xây dựng phần cứng đa dạng từ các nhà sản xuất thiết bị khác nhau. Nó làm nhiệm vụ của bộ tích hợp hệ thống để mang lại từ các thành phần riêng lẻ kết hợp với nhau thành một hệ thống làm việc hoàn toàn. Các yếu tố cơ bản của một hệ thống thu thập dữ liệu, thể hiện trong sơ đồ chức năng của hình 1.1, như sau.Cảm biến và máy biến đổi• Trường dây• Biến đổi tín hiệu• Thu thập dữ liệu phần cứng• PC (hệ điều hành)• Thu thập dữ liệu phần mềm. Mỗi phần tử của toàn hệ thống là quan trọng để đo chính xác và thu thập dữ liệu từ quá trình hoặc các hiện tượng vật lý đang được theo dõi và được thảo luận trong các phần sau. 1.2.1. Cảm biến và máy biến đổi.Máy biến đổi và cảm biến cung cấp giao diện thực tế giữa hiện thực và hệ thống thu thập dữ liệu thực bằng cách chuyển đổi các hiện tượng vật lý thành tín hiệu điện mà sự biến đổi tín hiệu và / hoặc phần cứng thu thập dữ liệu có thể chấp nhận. Bộ chuyển đổi có thể thực hiện hầu như bất kỳ các đo lường vật lý và cung cấp điện tương ứng. Ví dụ, cặp nhiệt điện, điện trở nhiệt độ dò (RTD), nhiệt kế điện tử, và IC cảm biến chuyển đổi nhiệt độ vào một tín hiệu tương tự, trong khi lưu lượng sinh ra dãy xung số có tần số phụ thuộc vào tốc độ của dòng. Máy đo biến dạng và bộ biến đổi áp suất đo áp lực và áp lực tương ứng, trong khi các loại cảm biến có sẵn để đo tuyến tính và sự chuyển dịch gốc, vận tốc và gia tốc, ánh sáng, tính chất hóa học (ví dụ như CO, nồng độ pH), điện áp, dòng điện, điện trở hoặc xung. Trong mỗi trường hợp, các tín hiệu điện sinh ra là tỷ lệ thuận lượng vật lý được đo theo một số mối quan hệ được xác định.1.2.2. Dây điện trường và cáp thông tin liên lạc.Dây điện trường đại diện cho kết nối vật lý từ cảm biến dò và cảm biến tín hiệu phần cứng và / hoặc phần cứng thu thập dữ liệu. Khi biến đổi tín hiệu và / hoặc thu thập dữ liệu phần cứng từ xa đặt từ máy tính, sau đó dây điện trường cung cấp các liên kết vật lý giữa các cấu trúc phần cứng và máy tính các máy chủ. Nếu liên kết vật lý này là một RS-232 hoặc RS-485 giao diện truyền thông, sau đó thành phần của hệ thống dây điện trường này thường được gọi là truyền thông cáp.Từ đó hệ thống dây điện trường và cáp truyền thông thường đại diện về mặt thể chất cho phần lớn nhất của toàn bộ hệ thống nó là dễ bị ảnh hưởng của tiếng ồn bên ngoài, đặc biệt là trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Tiếp đất chính xác và che chắn của dây điện trường và cáp truyền thông là hết sức quan trọng trong việc giảm thiểu các tác động của nhiễu. Linh kiện thụ động của thu thập dữ liệu và hệ thống điều khiển này thường bị bỏ qua như là một thành phần quan trọng, kết quả trong một hệ thống khác đáng tin cậy trở nên không chính xác hoặc không đáng tin cậy do kỹ thuật hệ thống dây điện không chính xác.1.2.3. Sự biến đổi tín hiệu.Tín hiệu điện sinh ra bằng bộ chuyển đổi thường cần được chuyển thành dạng có thể chấp nhận được đối với thu nhận dữ liệu phần cứng, đặc biệt là bộ chuyển đổi A / D chuyển đổi các tín hiệu dữ liệu sang định dạng số yêu cầu. Ngoài ra, nhiều bộ biến đổi yêu cầu một số hình thức kích từ hoặc mở rộng cầu đo cho việc sử dụng đúng và chính xác.Các nhiệm vụ chủ yếu được thực hiện bởi bộ biến đổi tín hiệu là:• Lọc• bộ khuếch đại• tuyến tính• Cách ly• kích từLọcTrong môi trường nhiễu, nó rất khó khăn cho việc nhận được tín hiệu rất nhỏ từ các cảm biến như cặp nhiệt điện và đồng hồ đo dòng (trong thứ tự của mV), để tồn tại không có số liệu cảm biến được thoả hiệp. Trường hợp nhiễu của cùng một thứ tự hoặc cao hơn độ lớn hơn so với tín hiệu yêu cầu, nhiễu đầu tiên phải được lọc ra. Thiết bị biến đổi tín hiệu thường chứa các bộ lọc thông thấp được thiết kế để loại bỏ nhiễu tần số cao có thể dẫn đến dữ liệu không chính xác. Bộ khuếch đạiSau khi lọc các tín hiệu đầu vào cần thiết, nó phải được khuếch đại để tăng độ phân giải. Độ phân giải tối đa thu được bằng cách khuếch đại tín hiệu đầu vào để phạm vi điện áp tối đa của tín hiệu đầu vào tương đương với phạm vi đầu vào của bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC), chứa trong các thu thập dữ liệu phần cứng.Đặt các bộ khuếch đại càng gần cảm biến như thực chất có thể làm giảm ảnh hưởng của nhiễu trên đường tín hiệu giữa cảm biến dò và thu thập dữ liệu phần cứngTuyến tínhnhiều cảm biến , chẳng hạn như cặp nhiệt điện, hiển thị một mối quan hệ phi tuyến tính các đại lượng vật lý họ được yêu cầu để đo lường. Phương pháp tuyến tính các tín hiệu đầu vào khác nhau giữa các kết quả biến đổi tín hiệu. Ví dụ, trong trường hợp của cặp nhiệt điện, một số kết quả phù hợp với sự biến đổi tín hiệu phần cứng các loại cặp nhiệt điện, cung cấp phần cứng để khuếch đại và tuyến tính hóa tín hiệu cùng một lúc.Một phương pháp rẻ hơn, dễ dàng hơn, và linh hoạt hơn được cung cấp bởi các kết quả bộ biến đổi tín hiệu thực hiện tuyến tính hóa của các tín hiệu đầu vào bằng cách sử dụng phần mềm.Cách ly.thiết bị biến đổi tín hiệu cũng có thể được sử dụng để cung cấp sự cô lập của bộ chuyển đổi tín hiệu từ máy tính mà có một khả năng chuyển tiếp điện áp cao có thể xảy ra trong hệ thống đang được theo dõi, hoặc là do phóng tĩnh điện hoặc không điện. Cách ly bảo vệ các thiết bị máy tính đắt tiền thiệt hại và các hư hỏng từ người sử dụng máy tính. Ngoài ra, nơi mức điện áp kiểu chung là cao hoặc cận một chế độ dòng điện rò rất thấp chế độ phổ biến hiện nay, như đối với các ứng dụng y tế, cách ly cho phép đo được một cách chính xác và an toàn thu được.Kích từkết quả của bộ biến đổi tín hiệu cũng cung cấp sự kích từbđối với một số đầu dò. Ví dụ: đồng hồ đo dòng, nhiệt trở bán dẫn và RTD, yêu cầu điện áp bên ngoài hoặc tín hiệu dòng điện kích từ.1.2.4. Thu thập dữ liệu phần cứng.Thu thập dữ liệu và điều khiển phần cứng (DAQ) có thể được định nghĩa như là cấu tạo đầy đủ của thu thập dữ liệu và hệ thống điều khiển, thực hiện các chức năng sau.• Các đầu vào, xử lý và chuyển đổi sang định dạng số, sử dụng ADCs, dữ liệu tín hiệu tương tự được đo từ một hệ thống hoặc quá trình dữ liệu sau đó được chuyển đến một máy tính cho việc lưu trữ, hiển thị và phân tích.• Các đầu vào của các tín hiệu số, có chứa các thông tin từ một hệ thống hoặc quá trình.• Việc xử lý, chuyển đổi sang định dạng tương tự, sử dụng DACs, các tín hiệu số từ máy tính - các tín hiệu điều khiển tương tự được sử dụng để kiểm soát một hệ thống hoặc quá trình.• Đầu ra của tín hiệu điều khiển số.Thu thập dữ liệu phần cứng có sẵn dưới nhiều hình thức từ nhiều nhà sản xuất khác nhau. Ghép nối các bus mở dộng trên bo mạch, được cắm trực tiếp vào bus mở rộng của máy tính, là thường được tận dụng trường dữ liệu phần cứng của DAQ. Các hình thức khác của phần cứng DAQ là thông minh độc lập ghi và các bộ điều khiển, có thể được theo dõi, kiểm soát và cấu hình từ máy tính thông qua một giao diện RS-232, và vẫn có thể còn lại để hoạt động độc lập với máy tính.Một số phần tử thường được sử dụng phần cứng DAQ, đặc biệt là trong R & D và môi trường kiểm tra, dụng cụ đo độc lập được thiết lập cấu hìnhvà điều khiển bởi máy tính từ xa, thông qua giao diện IEEE-488 truyền thông. Một số trong những phổ biến nhất Cấu hình hệ thống DAQ được thảo luận trong phần thu thập dữ liệu và cấu hình hệ thống điều khiển p. 61.2.5. Phần mềm thu thập dữ liệu.Thu thập dữ liệu phần cứng không làm việc mà không có phần mềm, bởi vì nó là phần mềm chạy trên máy tính có thể biến đổi hệ thống vào một phân tích dữ liệu hoàn chỉnh, mua lại,hiển thị, và hệ thống điều khiển. Phần mềm ứng dụng chạy trên máy tính theo một hệ điều hành mà có thể là một tác vụ (như DOS) hoặc đa nhiệm (như Windows, Unix, OS2), cho phép nhiều ứng dụng chạy đồng thời.Các phần mềm ứng dụng có thể là một màn hình tương tác bảng điều khiển, một đầu vào / đầu ra chuyên dụng kiểm soát chương trình, bộ ghi dữ liệu, xử lý một thông tin liên lạc, hoặc sự kết hợp của tất cả .Có ba tùy chọn có sẵn, đối với các phần mềm cần thiết, lập trình bất kỳ một hệ thống phần cứng.• Thanh ghi chương trình của các phần cứng thu thập dữ liệu trực tiếp• Sử dụng phần mềm điều khiển mức độ thấp, thường được cung cấp với phần cứng, phát triển một phần mềm ứng dụng cho các nhiệm vụ cụ thể cần thiết• Tận dụng có sẵn phần mềm ứng dụng này có thể phần mềm ứng dụng,cung cấp phần cứng chính nó, thực hiện tất cả các nhiệm vụ cần thiết cho một ứng dụng cụ thể, cách khác, gói bên thứ ba như LabVIEW và Máy tính xách tay Labtech cung cấp một giao diện đồ họa cho các lập trình các nhiệm vụ cần thiếtmột mục cụ thể của phần cứng, cũng như cung cấp các công cụ để phân tích và hiển thị dữ liệu đã thu thập.1.2.6. Máy tính chủ.Các máy tính được sử dụng trong một hệ thống thu thập dữ liệu rất có thể ảnh hưởng đến tốc độ mà tại đó dữ liệu có thể được liên tục và chính xác mua lại, xử lý, và được lưu trữ cho một ứng dụng cụ thể.Trường hợp thu thập dữ liệu tốc độ cao được thực hiện với một plug-trong hội đồng quản trị mở rộng, thông qua cung cấp bởi các cấu trúc đường chuyền dẫn, chẳng hạn như bus mở rộng PCI, cao hơn so với gửi bằng bus mở rộng tiêu chuẩn ISA hoặc EISA của máy tính.Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, tốc độ vi xử lý, thời gian truy cập đĩa cứng, dung lượng đĩa và các loại truyền dữ liệu có sẵn, tất cả đều có thể có tác động vào tốc độ mà máy tính có thể liên tục thu thập dữ liệu. Tất cả các máy tính cá nhân, ví dụ, có khả năng lập trình I / O và làm gián đoạn truyền dữ liệu theo định hướng. Việc sử dụng truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA), trong đó phần cứng chuyên dụng được sử dụng để truyền dữ liệu trực tiếp vào bộ nhớ của máy tính, làm tăng đáng kể thông qua hệ thống và rời khỏi bộ vi xử lý tự do cho các nhiệm vụ khác của máy tính. Nơi truy cập bộ nhớ trực tiệp hoặc gián đoạn chuyển dữ liệu theo định hướng được yêu cầu, ghép mạch thu thập dữ liệu phải có khả năng thực hiện các loại truyền dữ liệu.Trong khi thu thập dữ liệu đã hoạt động bình thường, ghép mạch thu thập dữ liệu hoặc phần cứng truy nhập bộ nhớ trực tiếp (ví dụ như máy ghi dữ liệu), được lưu trữ trực tiếp vào bộ nhớ hệ thống. Trường hợp có sẵn hệ thống bộ nhớ vượt quá số lượng dữ liệu được giữ lại, dữ liệu có thể được chuyển giao cholưu trữ vĩnh viễn, chẳng hạn như một đĩa cứng, bất cứ lúc nào. Tốc độ mà tại đó dữ liệu đượcchuyển sang lưu trữ vĩnh viễn không ảnh hưởng đến công suất toàn phần của hệ thống thu thập dữ liêu. . nhanh chóng tốc độ và sức mạnh của máy tính, như các đối thủ cạnh tranh trên một thị trường.Đi kèm với một sự sụt giảm đáng kể về chi phí và mở rộng nhanh. máy tính mà có một khả năng chuyển tiếp điện áp cao có thể xảy ra trong hệ thống đang được theo dõi, hoặc là do phóng tĩnh điện hoặc không điện. Cách ly bảo