如何更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

工程師經(jīng)常需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集來驗(yàn)證產(chǎn)品的性能和指標(biāo)，或者對一些特定的應(yīng)用進(jìn)行監(jiān)測和控制，以便確定其物理參數(shù)，例如溫度、應(yīng)力、壓力和流量。在設(shè)計(jì)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(dá)到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。例如在電源表征應(yīng)用中，工程師可能會(huì)測量不同負(fù)載條件下的電源輸出。在所有負(fù)載條件下，電壓輸出都必須保持穩(wěn)定，同時(shí)產(chǎn)品內(nèi)部的溫度變化也應(yīng)保持最小。或者，在一家飲料制造廠中，化學(xué)工程師可能需要監(jiān)測最終產(chǎn)品的液體流量。在液體流量達(dá)到最小或最大極限值時(shí)，則需對其進(jìn)行調(diào)整。

　　在某些情況下，采集此類數(shù)據(jù)可能非常困難。有沒有更好的辦法來采集數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)是有效的？本文介紹了幾種數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，并將說明一些不同的工具如何幫助您采集和分析數(shù)據(jù)。

　　在本文中，我們將探討這些應(yīng)用的具體情況，并向您介紹通過選擇適合的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將會(huì)為您的數(shù)據(jù)采集和分析帶來哪些幫助。

　　選擇測量設(shè)備

　　在數(shù)據(jù)采集過程中，許多測量都需要使用傳感器將物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為電壓、電阻或頻率，再使用適當(dāng)?shù)臏y量設(shè)備（例如數(shù)字萬用表）對這些電信號(hào)進(jìn)行測量。?

　　溫度測量是數(shù)據(jù)采集中最常進(jìn)行的物理測量之一，它可以通過使用熱電偶、RTD（電阻式溫度探測器）或熱敏電阻傳感器來實(shí)現(xiàn)。熱電偶是一個(gè)由兩種不同金屬構(gòu)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，用兩者的差值來確定相關(guān)的溫度。RTD 和熱敏電阻是以電阻為基礎(chǔ)制成的傳感器。隨溫度的變化，傳感器的輸出電阻將出現(xiàn)相應(yīng)的改變。您應(yīng)當(dāng)根據(jù)測量的類型以及應(yīng)用所需的精度和線性度選擇合適的傳感器。

　　幾乎所有的萬用表都可以測量傳感器產(chǎn)生的電壓或電阻，但并非所有的萬用表都可以將電壓或電阻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換程序的萬用表。使用這些內(nèi)置的轉(zhuǎn)換程序，可以將原始的熱電偶測量結(jié)果從電壓值轉(zhuǎn)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(yīng)用，必須選擇一個(gè)具有自動(dòng)轉(zhuǎn)換程序的儀器。與此同時(shí)，如果您希望進(jìn)一步地簡化數(shù)據(jù)采集和分析過程，請選擇具有下列特性的數(shù)據(jù)采集設(shè)備：
??支持?jǐn)?shù)學(xué)方程， 如Mx + B，可以方便地轉(zhuǎn)換其他的傳感器輸出
??在信號(hào)的測量結(jié)果超過預(yù)定限制閾值時(shí)能夠觸發(fā)硬件報(bào)警
??包含前端多路復(fù)用器，可以將多個(gè)測量點(diǎn)或傳感器連接到一個(gè)測量儀器
??包含能夠幫助進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析的軟件

　　使用軟件工具采集并分析數(shù)據(jù)

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

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

　　我們將通過一個(gè)簡單的示例，來詳細(xì)描述上述的電源表征應(yīng)用。需要采集的數(shù)據(jù)包括溫度、電壓和數(shù)字測量結(jié)果。在所有負(fù)載條件下電壓輸出都必須保持穩(wěn)定，同時(shí)產(chǎn)品內(nèi)部的溫度變化也應(yīng)保持最小。?

　　我們使用儀器軟件來采集和分析這些數(shù)據(jù)，并選定掃描中包含的獨(dú)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(shè)置為測量電源中的不同電壓，通道 1006 至 1010 設(shè)置為測量電源內(nèi)部不同位置的溫度變化。由于該儀器包含熱電偶自動(dòng)轉(zhuǎn)換程序，因此我們無需額外進(jìn)行轉(zhuǎn)換。溫度值直接顯示為攝氏度值。通道 2001 至 2002 是數(shù)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(biāo)度（攝氏度、華氏度或開氏度）。標(biāo)度功能（即 Mx + B）用于對每個(gè)通道上的讀數(shù)應(yīng)用增益和偏置，并可以用來定制線性轉(zhuǎn)換。這在校準(zhǔn)損耗、增益或偏置時(shí)十分有用。?

　　在每個(gè)通道上設(shè)置報(bào)警。每個(gè)測量結(jié)果都會(huì)與報(bào)警限制閾值進(jìn)行比較。如果測量結(jié)果超出限制閾值，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警。通道 1001 至 1005 上設(shè)置了低電壓/高電壓報(bào)警閾值，以確保電壓的穩(wěn)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(bào)警 1，開關(guān)閉合，并關(guān)閉電源。?

　　通道 1006 至 1010 上的報(bào)警設(shè)置用于控制電源內(nèi)部的溫度。如果內(nèi)部溫度過高，就會(huì)觸發(fā)硬件報(bào)警 2，開關(guān)閉合，提高變速風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。如果溫度降低，將會(huì)觸發(fā)報(bào)警 3，再次降低變速風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

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

　　圖 1 使用標(biāo)準(zhǔn)軟件工具采集和分析數(shù)據(jù)

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

　　該軟件包會(huì)伴隨儀器免費(fèi)提供。此外還有一些更高級(jí)的軟件包，可以提供更多的控制功能，并允許用戶設(shè)定限制閾值，指定在超出限制閾值時(shí)將會(huì)執(zhí)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(yīng)用的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，其中一個(gè)掃描列表用于監(jiān)測電爐（oven）溫度，一旦溫度趨于穩(wěn)定，將發(fā)送一個(gè) SCPI 命令來改變電源輸出，繼而開始新的掃描，并采集新的數(shù)據(jù)。

　　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(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集

　　許多新型儀器都具有以太網(wǎng)接口，使您可以通過網(wǎng)絡(luò)輕松訪問測試設(shè)備。測試與測量行業(yè)中的多家領(lǐng)先制造商和用戶聯(lián)合開發(fā)了一個(gè)全新的 LXI（儀器在局域網(wǎng)中的擴(kuò)展）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)以經(jīng)過驗(yàn)證的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，對儀器的交互操作做出了規(guī)定。因此，不同廠商所生產(chǎn)的 LXI 儀器都會(huì)具有類似的實(shí)現(xiàn)模式。LXI 標(biāo)準(zhǔn)的主要方面包括：

　　??通信和連接方案的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)
??定義了編程驅(qū)動(dòng)程序、接口發(fā)現(xiàn)和接口安全規(guī)則的接口標(biāo)準(zhǔn)
??從 Web 瀏覽器訪問數(shù)據(jù)的儀器 Web 服務(wù)器要求
??時(shí)間同步的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)
??物理規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，包括尺寸、功率、散熱和 LED 指示器等

　　將設(shè)備部署在測量位置

　　在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，使用 LXI 儀器可以將測試設(shè)備輕松部署在測量位置。對于本文前面提到的負(fù)責(zé)監(jiān)控飲料生產(chǎn)流程的工程師來說，需要將測量設(shè)備部署在整個(gè)生產(chǎn)車間的多個(gè)不同位置。連接到網(wǎng)絡(luò)之后，測量設(shè)備可以輕松采集測量數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心電腦：無需使用 GPIB/LAN 轉(zhuǎn)換器，也無需布置很長的電纜連接到測量位置。物理布線長度的縮短，可以減少噪聲對測量的干擾，降低總體成本。

　　通過標(biāo)準(zhǔn)的 Web 瀏覽器訪問設(shè)備

　　LXI 儀器的另一個(gè)特性就是能夠通過標(biāo)準(zhǔn)的 Web 瀏覽器進(jìn)行訪問。LXI 儀器中裝有一個(gè) Web 服務(wù)器端程序，用戶可以通過它訪問和控制該儀器，無需再安裝任何特殊的軟件。

　　通過儀器的 Web 服務(wù)器端程序，您可以打開 Web 瀏覽器，輸入儀器連接網(wǎng)絡(luò)的 IP 地址或主機(jī)名，便可通過 Web 瀏覽器直接訪問該儀器。

　　LXI 標(biāo)準(zhǔn)定義了對網(wǎng)頁內(nèi)容的最低要求。某些儀器只具備基本的功能和簡單的儀器信息瀏覽界面，只能用于監(jiān)測；而另一些儀器則具有功能齊全的圖形 Web 界面，用戶可以通過該界面全面地訪問和控制這些儀器。

　　對于在飲料工廠中負(fù)責(zé)監(jiān)控生產(chǎn)流程的工程師，他們可以使用 LXI Web 界面來監(jiān)控在不同位置測量得到的結(jié)果?；蛘?，借助具有全部測量和控制功能、符合 LXI 標(biāo)準(zhǔn)的儀器，工程師還能夠通過圖形 Web 界面設(shè)置和執(zhí)行測量。圖 3 顯示了如何使用標(biāo)準(zhǔn) Web 瀏覽器在開關(guān)配置窗口設(shè)置和執(zhí)行溫度測量。

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

　　圖 3：通過 Web 瀏覽器配置、執(zhí)行測量或只是監(jiān)視測量結(jié)果
總結(jié)

　　綜上所述，數(shù)據(jù)采集和分析在某些情況下會(huì)很困難。使用適當(dāng)?shù)臏y量硬件和軟件工具可以簡化這項(xiàng)工作，并提高采集數(shù)據(jù)的效用。?
??使用具有自動(dòng)轉(zhuǎn)換程序、數(shù)學(xué)運(yùn)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(shù)據(jù)采集和解讀。
??使用軟件工具，可以更輕松地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)置、執(zhí)行和分析。?
??使用符合 LXI 標(biāo)準(zhǔn)的儀器，可以獲得更多優(yōu)勢：通過嵌入式圖形 Web 界面，遠(yuǎn)程訪問和控制測量，輕松地進(jìn)行測試設(shè)置、執(zhí)行測試和故障診斷。

　　Microsoft是微軟公司在美國的注冊商標(biāo)。