همه چیز درباره کارت داده برداری: از چیستی تا چگونگی کار با این دستگاه

کارت داده برداری (Data Acquisition Card یا DAQ Card) یک قطعه سخت افزاری است که نقش پل ارتباطی بین دنیای فیزیکی و دنیای دیجیتال کامپیوتر را ایفا می کند. وظیفه اصلی آن اندازه گیری سیگنال های الکتریکی (که معمولاً نماینده پدیده های فیزیکی مانند دما فشار نیرو لرزش صدا و… هستند) و تبدیل آن ها به داده های دیجیتال است تا کامپیوتر بتواند آن ها را پردازش تحلیل نمایش و ذخیره کند. به عبارت ساده تر کارت DAQ به کامپیوتر اجازه می دهد تا با سیگنال های آنالوگ و دیجیتال دنیای واقعی تعامل داشته باشد. علاوه بر خواندن سیگنال ها بسیاری از کارت های DAQ قادر به تولید سیگنال های آنالوگ یا دیجیتال برای کنترل دستگاه های خارجی (مانند فعال کننده ها موتورها رله ها) نیز هستند. این قابلیت ها کارت های DAQ را به ابزاری حیاتی در سیستم های اندازه گیری تست اتوماسیون و کنترل تبدیل کرده است.

منبع مقاله: https://ni-daq.ir

کارت داده برداری (DAQ) دقیقاً چیست؟

کارت داده برداری چیست؟

کارت داده برداری که گاهی اوقات کارت اکتساب داده یا ماژول DAQ نیز نامیده می شود یک وسیله الکترونیکی است که سیگنال های الکتریکی آنالوگ یا دیجیتال را از سنسورها مبدل ها یا سایر دستگاه های اندازه گیری دریافت می کند و آن ها را به فرمتی تبدیل می کند که برای کامپیوتر قابل فهم و پردازش باشد. این فرآیند داده برداری (Data Acquisition) نامیده می شود.

تصور کنید می خواهید دمای یک کوره صنعتی را با کامپیوتر پایش کنید. یک سنسور دما (مانند ترموکوپل) دمای فیزیکی را به یک سیگنال الکتریکی ضعیف (معمولاً ولتاژ) تبدیل می کند. این سیگنال آنالوگ و پیوسته است در حالی که کامپیوتر فقط با داده های دیجیتال و گسسته کار می کند. کارت DAQ در این میان قرار می گیرد؛ سیگنال ولتاژ آنالوگ را دریافت می کند احتمالاً آن را تقویت و فیلتر می کند (که به این مرحله آماده سازی سیگنال می گویند) و سپس با استفاده از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) آن را به مجموعه ای از اعداد دیجیتال تبدیل می کند. این اعداد دیجیتال سپس از طریق یک رابط (مانند USB, PCI, PCIe, Ethernet) به کامپیوتر ارسال می شوند جایی که نرم افزار می تواند دما را نمایش دهد ثبت کند یا بر اساس آن تصمیماتی بگیرد (مثلاً اگر دما بیش از حد بالا رفت سیستم خنک کننده را فعال کند).

بنابراین کارت DAQ اساساً یک مترجم یا واسط بین سیگنال های دنیای واقعی و زبان دیجیتالی کامپیوتر است و نقش کلیدی در اتوماسیون فرآیند اندازه گیری و کنترل دارد.

اجزای کلیدی یک سیستم داده برداری (Key Components of a DAQ System)

مهم است که بدانیم کارت DAQ معمولاً تنها یک بخش از یک سیستم داده برداری (DAQ System) کامل است. یک سیستم DAQ معمولاً شامل اجزای زیر است :

1. سنسورها و مبدل ها (Sensors and Transducers) : این ها دستگاه هایی هستند که پدیده های فیزیکی (مانند دما فشار کرنش نور صدا موقعیت) را به سیگنال های الکتریکی قابل اندازه گیری (مانند ولتاژ جریان مقاومت) تبدیل می کنند. انتخاب سنسور مناسب برای اندازه گیری دقیق پارامتر مورد نظر اولین قدم حیاتی است.
2. آماده سازی سیگنال (Signal Conditioning) : سیگنال های خروجی از سنسورها اغلب برای اتصال مستقیم به کارت DAQ مناسب نیستند. ممکن است بسیار ضعیف باشند نویز زیادی داشته باشند یا در محدوده ولتاژ مناسب نباشند. مدارهای آماده سازی سیگنال وظیفه تقویت (Amplification) تضعیف (Attenuation) فیلتر کردن (Filtering) نویز ایزولاسیون (Isolation) برای ایمنی و جلوگیری از حلقه های زمین خطی سازی (Linearization) پاسخ سنسورهای غیرخطی و تحریک (Excitation) (تأمین ولتاژ یا جریان مورد نیاز برخی سنسورها مانند استرین گیج ها) را بر عهده دارند. این بخش می تواند به صورت ماژول های خارجی یا مجتمع روی خود کارت DAQ باشد.
3. سخت افزار DAQ (DAQ Hardware) : این همان کارت یا ماژول DAQ است که قلب سیستم محسوب می شود. وظیفه اصلی آن تبدیل سیگنال های آنالوگ آماده شده به داده های دیجیتال (توسط ADC) خواندن ورودی های دیجیتال (DIO) تولید خروجی های آنالوگ (توسط DAC) یا دیجیتال و انجام وظایف شمارش یا زمان بندی (Counters/Timers) است. سخت افزار DAQ همچنین شامل رابط باس (Bus Interface) برای اتصال به کامپیوتر (مثلاً PCI, PCIe, USB, Ethernet) و حافظه موقت (Buffer Memory) برای ذخیره موقت داده ها قبل از انتقال به کامپیوتر است.
4. کامپیوتر میزبان (Host Computer) : کامپیوتری که سخت افزار DAQ به آن متصل است و نرم افزار مربوطه روی آن اجرا می شود. وظیفه کامپیوتر کنترل فرآیند داده برداری پردازش داده های دریافتی نمایش نتایج به کاربر و ذخیره سازی داده ها برای تحلیل های بعدی است.
5. نرم افزار DAQ (DAQ Software) : نرم افزار نقش حیاتی در عملکرد سیستم DAQ دارد و معمولاً شامل دو بخش است :
• درایور (Driver Software) : نرم افزار سطح پایینی که به سیستم عامل و نرم افزارهای کاربردی اجازه می دهد با سخت افزار DAQ ارتباط برقرار کنند. درایور توابع سطح بالا (API) را برای برنامه نویسی فراهم می کند.
• نرم افزار کاربردی (Application Software) : نرم افزاری که کاربر برای پیکربندی پارامترهای داده برداری (مانند نرخ نمونه برداری کانال ها) اجرای فرآیند داده برداری تحلیل داده ها و نمایش یا ذخیره نتایج استفاده می کند. این نرم افزار می تواند یک محیط برنامه نویسی گرافیکی مانند LabVIEW یا MATLAB DAQ Toolbox باشد یا با استفاده از زبان های برنامه نویسی مانند Python, C++, C# و با استفاده از API درایور توسعه داده شود.

قلب تپنده کارت DAQ : فرآیند تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC)

مهم ترین و بنیادی ترین وظیفه یک کارت DAQ برای اندازه گیری سیگنال های دنیای واقعی تبدیل آنالوگ به دیجیتال (Analog-to-Digital Conversion – ADC) است. ADC مداری است که یک سیگنال آنالوگ پیوسته (معمولاً ولتاژ) را به یک دنباله از مقادیر دیجیتال گسسته تبدیل می کند. این فرآیند معمولاً شامل سه مرحله اصلی است :

1. نمونه برداری (Sampling) : در این مرحله مقدار سیگنال آنالوگ ورودی در فواصل زمانی منظم اندازه گیری می شود. به تعداد نمونه هایی که در یک ثانیه گرفته می شود نرخ نمونه برداری (Sampling Rate یا Fs) گفته می شود و واحد آن نمونه بر ثانیه (S/s) یا هرتز (Hz) است. انتخاب نرخ نمونه برداری مناسب بسیار حیاتی است. بر اساس قضیه نمونه برداری نایکوئیست-شانون برای بازسازی دقیق یک سیگنال نرخ نمونه برداری باید حداقل دو برابر بیشترین فرکانس (f_max) موجود در سیگنال باشد (Fs ≥ ۲ * f_max). اگر نرخ نمونه برداری کمتر از این مقدار باشد پدیده ای به نام aliasing رخ می دهد که در آن فرکانس های بالاتر در سیگنال به صورت نادرست به عنوان فرکانس های پایین تر ظاهر می شوند و باعث خطای اندازه گیری جدی می شوند.
2. کوانتیزاسیون (Quantization) : پس از نمونه برداری هر نمونه ی آنالوگ (که هنوز یک مقدار پیوسته است) باید به نزدیک ترین سطح از مجموعه ای از سطوح گسسته دیجیتال نگاشت شود. این فرآیند کوانتیزاسیون نام دارد. تعداد این سطوح گسسته توسط رزولوشن (Resolution) مبدل ADC تعیین می شود که معمولاً بر حسب بیت (bits) بیان می شود. یک ADC با رزولوشن N بیت می تواند سیگنال آنالوگ را به ۲^N سطح مجزا تقسیم کند. برای مثال یک ADC با رزولوشن ۱۲ بیت می تواند ۲^۱۲ = ۴۰۹۶ سطح ولتاژ متفاوت را تشخیص دهد در حالی که یک ADC با رزولوشن ۱۶ بیت می تواند ۲^۱۶ = ۶۵,۵۳۶ سطح را تشخیص دهد. رزولوشن بالاتر به معنای پله های کوانتیزاسیون کوچک تر و در نتیجه دقت بالاتر در نمایش دیجیتالی سیگنال آنالوگ است.
3. کدگذاری (Encoding) : در مرحله آخر به هر سطح کوانتیزه شده یک کد دیجیتال منحصر به فرد (معمولاً یک عدد باینری) اختصاص داده می شود. این کد باینری همان مقداری است که توسط کامپیوتر قابل خواندن و پردازش است.

بنابراین نرخ نمونه برداری تعیین می کند که چقدر سریع می توانیم تغییرات سیگنال را ثبت کنیم و رزولوشن تعیین می کند که چقدر دقیق می توانیم مقدار لحظه ای سیگنال را اندازه گیری کنیم. هر دوی این پارامترها مشخصات کلیدی ADC و در نتیجه کارت DAQ هستند.

انواع سیگنال ها و ورودی/خروجی ها در کارت DAQ

کارت های DAQ مدرن فقط برای خواندن ولتاژهای آنالوگ طراحی نشده اند بلکه معمولاً مجموعه ای از قابلیت های ورودی و خروجی را ارائه می دهند :

• ورودی های آنالوگ (Analog Inputs – AI) : این اصلی ترین کاربرد بسیاری از کارت های DAQ است : اندازه گیری سیگنال های ولتاژ یا گاهی جریان. کارت ها معمولاً دارای چندین کانال ورودی آنالوگ هستند. ورودی ها می توانند تک سر (Single-Ended) باشند (که سیگنال نسبت به یک زمین مشترک اندازه گیری می شود و به نویز حساس تر است) یا دیفرانسیلی (Differential) باشند (که اختلاف ولتاژ بین دو سیم اندازه گیری می شود و برای حذف نویز حالت مشترک (Common-Mode Noise) بسیار مؤثرتر است).
• خروجی های آنالوگ (Analog Outputs – AO) : این قابلیت به کارت DAQ اجازه می دهد تا سیگنال های آنالوگ (معمولاً ولتاژ) تولید کند. این کار با استفاده از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ (Digital-to-Analog Converter – DAC) انجام می شود که فرآیند معکوس ADC را انجام می دهد : یک عدد دیجیتال را از کامپیوتر می گیرد و آن را به یک سطح ولتاژ آنالوگ متناظر تبدیل می کند. از خروجی های آنالوگ برای کنترل دستگاه هایی که نیاز به ورودی آنالوگ دارند (مانند شیرهای تناسبی موتورها) تولید شکل موج های سفارشی (مانند سینوسی مربعی مثلثی) برای تست یا شبیه سازی سیگنال های سنسور استفاده می شود.
• ورودی/خروجی دیجیتال (Digital Input/Output – DIO) : این خطوط برای خواندن (ورودی) یا تنظیم (خروجی) سطوح منطقی دیجیتال (معمولاً سطوح TTL : ۰ ولت برای منطق ‘پایین’ و ۵+ ولت برای منطق ‘بالا’) استفاده می شوند. ورودی های دیجیتال (DI) می توانند وضعیت سوئیچ ها سنسورهای مجاورت یا خروجی های منطقی سایر دستگاه ها را بخوانند. خروجی های دیجیتال (DO) می توانند رله ها LEDها یا ورودی های منطقی سایر دستگاه ها را کنترل کنند. به این خطوط گاهی خطوط TTL نیز گفته می شود.
• شمارنده ها/تایمرها (Counters/Timers) : بسیاری از کارت های DAQ شامل مدارهای شمارنده/تایمر هستند که برای وظایف مرتبط با زمان بندی و شمارش رویدادهای دیجیتال استفاده می شوند. کاربردهای رایج عبارتند از :
• شمارش رویداد (Event Counting) : شمارش تعداد پالس های دیجیتال ورودی (مثلاً از یک انکودر برای اندازه گیری چرخش).
• اندازه گیری فرکانس و دوره تناوب (Frequency/Period Measurement) : اندازه گیری فرکانس یا دوره تناوب یک سیگنال پالسی ورودی.
• تولید پالس (Pulse Generation) : تولید یک یا دنباله ای از پالس های دیجیتال با عرض و دوره تناوب قابل تنظیم. این شامل مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای کنترل موتورها یا دیمرها می شود.

وجود ترکیبی از این انواع ورودی/خروجی ها بر روی یک کارت DAQ آن را به ابزاری بسیار انعطاف پذیر برای طیف گسترده ای از کاربردهای اندازه گیری و کنترل تبدیل می کند.

آماده سازی سیگنال : چرا و چگونه؟

همانطور که قبلاً اشاره شد سیگنال های دنیای واقعی که از سنسورها می آیند به ندرت “تمیز” و آماده برای اتصال مستقیم به ADC هستند. آماده سازی سیگنال (Signal Conditioning) فرآیندی حیاتی برای اطمینان از دقت قابلیت اطمینان و ایمنی اندازه گیری ها است. بدون آماده سازی مناسب داده های به دست آمده ممکن است بی معنی یا حتی آسیب زننده به تجهیزات باشند. دلایل اصلی نیاز به آماده سازی سیگنال عبارتند از :

• سطح پایین سیگنال : بسیاری از سنسورها (مانند ترموکوپل ها استرین گیج ها برخی میکروفون ها) سیگنال های خروجی بسیار ضعیفی در حد میلی ولت یا میکروولت تولید می کنند که باید قبل از دیجیتالی شدن تقویت شوند تا از کل محدوده ورودی ADC به خوبی استفاده شود و رزولوشن مؤثر افزایش یابد.
• نویز : سیگنال ها در محیط های صنعتی یا آزمایشگاهی مستعد دریافت نویز الکتریکی از منابع مختلف (مانند خطوط برق ۵۰/۶۰ هرتز موتورها دستگاه های RF) هستند. فیلتر کردن برای حذف این نویزها ضروری است.
• محدوده ولتاژ نامناسب : سیگنال ممکن است ولتاژی بالاتر از محدوده قابل قبول ورودی ADC داشته باشد و نیاز به تضعیف دارد یا ممکن است نیاز به تغییر سطح (Level Shifting) داشته باشد.
• ایمنی و حفاظت : ایزولاسیون الکتریکی برای محافظت کارت DAQ کامپیوتر و کاربر از ولتاژهای بالا یا گذرا که ممکن است در سمت سنسور وجود داشته باشد ضروری است. همچنین از ایجاد حلقه های زمین (Ground Loops) که باعث خطای اندازه گیری می شوند جلوگیری می کند.
• پاسخ غیرخطی سنسور : برخی سنسورها (مانند ترموکوپل ها و ترمیستورها) پاسخ غیرخطی به پدیده فیزیکی دارند. مدارهای خطی سازی (یا الگوریتم های نرم افزاری) برای تصحیح این غیرخطی بودن و به دست آوردن اندازه گیری دقیق تر لازم است.
• نیاز به تحریک : برخی سنسورهای پسیو (مانند استرین گیج ها RTD ها ترمیستورها) برای تولید سیگنال خروجی نیاز به یک منبع تغذیه دقیق (ولتاژ یا جریان) دارند که به آن تحریک (Excitation) گفته می شود.

تکنیک های رایج آماده سازی سیگنال عبارتند از :

• تقویت (Amplification) : افزایش دامنه سیگنال با استفاده از تقویت کننده ها (معمولاً تقویت کننده های ابزار دقیق برای دقت بالا).
• تضعیف (Attenuation) : کاهش دامنه سیگنال با استفاده از مقسم های ولتاژ.
• فیلترینگ (Filtering) : استفاده از فیلترهای آنالوگ (پایین گذر بالاگذر میان گذر میان نگذر) برای حذف فرکانس های ناخواسته. فیلترهای Anti-aliasing (فیلترهای پایین گذر قبل از ADC) برای جلوگیری از پدیده aliasing بسیار مهم هستند.
• ایزولاسیون (Isolation) : جداسازی الکتریکی ورودی از خروجی با استفاده از روش های اپتیکی (اپتوکوپلر) مغناطیسی (ترانسفورماتور) یا خازنی.
• خطی سازی (Linearization) : با استفاده از مدارهای آنالوگ یا جداول جستجو (Lookup Tables) یا معادلات در نرم افزار.
• مالتی پلکسینگ (Multiplexing) : امکان اتصال چندین کانال ورودی به یک ADC واحد برای کاهش هزینه اگرچه باعث کاهش نرخ نمونه برداری مؤثر برای هر کانال می شود.

آماده سازی سیگنال می تواند در ماژول های خارجی جداگانه انجام شود یا به صورت مجتمع (Integrated) روی خود کارت یا ماژول DAQ پیاده سازی شود. انتخاب بین این دو به نیازهای کاربرد هزینه و انعطاف پذیری بستگی دارد.

انواع کارت های داده برداری بر اساس فرم فاکتور و اتصال

کارت ها و دستگاه های DAQ در فرم فاکتورها و با رابط های اتصال مختلفی عرضه می شوند که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند :

1. کارت های داخلی (Internal Cards – PCI/PCIe) : این کارت ها مستقیماً در اسلات های PCI یا PCI Express (PCIe) مادربرد کامپیوترهای رومیزی نصب می شوند.
• مزایا : سرعت انتقال داده بسیار بالا (به خصوص PCIe) تأخیر کم (Low Latency) عدم نیاز به منبع تغذیه خارجی (تغذیه از اسلات مادربرد).
• معایب : نیاز به باز کردن کیس کامپیوتر برای نصب عدم قابلیت حمل آسان (Not Portable) محدود به کامپیوترهای رومیزی.
2. ماژول های خارجی (External Modules – USB, Ethernet, Wi-Fi, Thunderbolt) : این دستگاه ها به صورت جعبه های خارجی هستند که از طریق پورت های استاندارد به کامپیوتر (لپ تاپ یا رومیزی) متصل می شوند.
• USB : بسیار رایج اتصال آسان (Plug-and-Play) قابلیت حمل خوب تنوع زیاد در محصولات. پهنای باند و تأخیر ممکن است برای کاربردهای بسیار پرسرعت محدودیت ایجاد کند.
• Ethernet (LAN) : امکان داده برداری در فواصل طولانی (با استفاده از زیرساخت شبکه) قابلیت توزیع سیستم داده برداری (Distributed DAQ) مناسب برای پایش از راه دور. نیاز به پیکربندی شبکه تأخیر بیشتر نسبت به PCIe.
• Wi-Fi : اتصال بی سیم انعطاف پذیری بالا در محل قرارگیری مناسب برای مکان های صعب العبور. نگرانی های مربوط به پایداری اتصال و امنیت داده ها پهنای باند و تأخیر نسبت به اتصالات سیمی محدودتر است.
• Thunderbolt : سرعت بسیار بالا مشابه PCIe تأخیر کم مناسب برای کاربردهای پرسرعت و داده های حجیم. پورت Thunderbolt روی همه کامپیوترها موجود نیست.
• مزایای کلی ماژول های خارجی : قابلیت حمل نصب آسان بدون باز کردن کامپیوتر سازگاری با لپ تاپ ها اغلب شامل آماده سازی سیگنال مجتمع و کانکتورهای مناسب هستند.
3. سیستم های مستقل یا دیتالاگرها (Standalone/Logger Systems) : این دستگاه ها شامل پردازنده حافظه داخلی برای ذخیره سازی داده ها و گاهی اوقات صفحه نمایش و باتری هستند. آن ها می توانند بدون نیاز به اتصال دائم به کامپیوتر میزبان داده ها را برای مدت طولانی جمع آوری و ذخیره کنند. داده ها بعداً می توانند به کامپیوتر منتقل شوند. ایده آل برای پایش میدانی کاربردهای از راه دور و ثبت طولانی مدت داده ها.
4. پلتفرم های ماژولار (Modular Platforms – PXI/PXIe, cDAQ) : این ها شاسی هایی هستند که کاربر می تواند ماژول های مختلف (DAQ ابزار دقیق سوئیچینگ و…) را درون آن ها قرار دهد.
• PXI/PXIe (PCI eXtensions for Instrumentation) : یک پلتفرم مبتنی بر PCIe با کارایی بالا زمان بندی و همگام سازی دقیق بین ماژول ها ساختار مقاوم مناسب برای سیستم های تست و اندازه گیری پیچیده و نیازمند کارایی بالا در صنعت و تحقیقات.
• CompactDAQ (cDAQ) : پلتفرم ماژولار مشابه PXI اما معمولاً با اتصال USB یا Ethernet به کامپیوتر تمرکز بیشتر بر سهولت استفاده و اندازه گیری های قابل حمل یا توزیع شده با آماده سازی سیگنال مجتمع در ماژول ها.

انتخاب فرم فاکتور و نوع اتصال به نیازهای کاربرد محیط اندازه گیری بودجه و زیرساخت موجود بستگی دارد.

فاکتورهای کلیدی در انتخاب کارت DAQ مناسب

انتخاب کارت یا سیستم DAQ مناسب برای یک کاربرد خاص نیازمند بررسی دقیق نیازمندی ها و مشخصات فنی است. نادیده گرفتن هر یک از این فاکتورها می تواند منجر به نتایج نادرست هزینه های اضافی یا عدم کارایی سیستم شود. مهم ترین عواملی که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از :

1. نوع و تعداد کانال های ورودی/خروجی :
• به چه نوع ورودی/خروجی هایی نیاز دارید؟ (ورودی آنالوگ AI خروجی آنالوگ AO ورودی/خروجی دیجیتال DIO شمارنده/تایمر C/T)
• به چه تعداد از هر نوع کانال نیاز دارید؟ (در نظر گرفتن نیازهای فعلی و توسعه احتمالی آینده)
• آیا ورودی های آنالوگ باید تک سر باشند یا دیفرانسیلی؟ (برای مقابله با نویز)
2. نرخ نمونه برداری (Sampling Rate) :
• حداکثر فرکانس سیگنالی که می خواهید اندازه گیری کنید چقدر است؟ نرخ نمونه برداری باید حداقل دو برابر این فرکانس باشد (قضیه نایکوئیست).
• آیا نیاز به نمونه برداری همزمان (Simultaneous Sampling) از چندین کانال دارید (هر کانال ADC خودش را دارد) یا نمونه برداری مالتی پلکس شده (یک ADC بین کانال ها سوئیچ می شود) کافی است؟ نمونه برداری همزمان برای تحلیل فاز بین سیگنال ها ضروری است.
3. رزولوشن (Resolution) :
• چه میزان دقتی برای اندازه گیری لازم است؟ رزولوشن بالاتر (بیت بیشتر) به معنای توانایی تشخیص تغییرات کوچک تر در سیگنال است. رزولوشن های رایج ۱۲ ۱۶ ۱۸ ۲۴ بیت هستند.
4. محدوده ورودی (Input Range) و بهره (Gain) :
• حداکثر و حداقل سطح ولتاژ (یا جریان) سیگنال ورودی شما چقدر است؟ محدوده ورودی کارت DAQ باید سیگنال شما را پوشش دهد.
• آیا کارت قابلیت تنظیم بهره (Gain) یا محدوده های ورودی مختلف را دارد؟ (برای تطبیق بهتر با سطوح مختلف سیگنال)
5. دقت (Accuracy) :
• کل خطای سیستم چقدر باید باشد؟ دقت معمولاً به صورت درصدی از مقدار خوانده شده به اضافه درصدی از محدوده کامل بیان می شود و تحت تأثیر عواملی مانند خطای بهره خطای آفست غیرخطی بودن نویز و تغییرات دما قرار دارد. مشخصات دقت را در دیتاشیت کارت بررسی کنید.
6. نوع اتصال و فرم فاکتور :
• کدام رابط اتصال (PCIe, USB, Ethernet, …) با کامپیوتر شما سازگار است و نیازهای سرعت و تأخیر شما را برآورده می کند؟
• آیا نیاز به قابلیت حمل دارید؟ (ماژول خارجی یا لاگر)
• آیا نیاز به یک سیستم ماژولار و قابل توسعه دارید؟ (PXI, cDAQ)
7. نیاز به آماده سازی سیگنال :
• آیا سیگنال های شما نیاز به تقویت فیلتر کردن ایزولاسیون یا تحریک دارند؟
• آیا کارت DAQ این قابلیت ها را به صورت مجتمع دارد یا نیاز به ماژول های آماده سازی سیگنال خارجی دارید؟
8. محیط کاربری (Operating Environment) :
• شرایط محیطی (دما رطوبت لرزش نویز الکترومغناطیسی) که سیستم در آن کار خواهد کرد چیست؟ کارت ها و ماژول های صنعتی معمولاً مقاوم تر هستند.
9. سازگاری نرم افزاری :
• آیا درایورهای کارت با سیستم عامل شما (Windows, Linux, macOS) سازگار هستند؟
• آیا کارت با محیط برنامه نویسی یا نرم افزار کاربردی مورد نظر شما (LabVIEW, MATLAB, Python, C++, …) پشتیبانی می شود؟
• آیا نرم افزار همراه با کارت کاربری آسانی دارد و قابلیت های مورد نیاز شما را فراهم می کند؟
10. بودجه :
• هزینه کل سیستم (سخت افزار نرم افزار سنسورها کابل ها) چقدر است؟ باید بین مشخصات فنی مورد نیاز و محدودیت های بودجه تعادل برقرار کرد.

با پاسخ دقیق به این سؤالات و مقایسه مشخصات کارت های مختلف می توانید بهترین گزینه را برای کاربرد خاص خود انتخاب کنید.

کاربردهای رایج کارت های داده برداری

کارت ها و سیستم های DAQ به دلیل انعطاف پذیری و قابلیت اندازه گیری و کنترل دقیق در طیف بسیار وسیعی از صنایع و زمینه های تحقیقاتی کاربرد دارند. برخی از کاربردهای رایج عبارتند از :

• اتوماسیون صنعتی و کنترل فرآیند : پایش و کنترل پارامترهای فرآیند مانند دما فشار سطح جریان در کارخانه ها و خطوط تولید. کنترل کیفیت محصولات تست عملکرد ماشین آلات.
• تست و اندازه گیری (Test & Measurement) :
• تست محصولات الکترونیکی : اعتبارسنجی عملکرد مدارها تست منابع تغذیه.
• تست خودرو : اندازه گیری پارامترهای موتور تست دوام قطعات تحلیل لرزش و صدا (NVH).
• تست هوافضا : تست های ساختاری پایش سیستم های پروازی تست تونل باد.
• تست سازه : اندازه گیری کرنش جابجایی و لرزش در پل ها ساختمان ها و سایر سازه ها.
• اندازه گیری های صوتی و لرزش : تحلیل نویز ماشین آلات تست آکوستیک محصولات پایش سلامت ماشین آلات دوار.
• تحقیقات علمی : انجام آزمایش های فیزیک شیمی زیست شناسی. ثبت داده های طولانی مدت در آزمایشگاه. توسعه سیستم های اندازه گیری سفارشی.
• پزشکی و بیومدیکال : ثبت سیگنال های فیزیولوژیکی مانند ECG (الکتروکاردیوگرام) EEG (الکتروانسفالوگرام) EMG (الکترومیوگرام). پایش وضعیت بیماران تحقیق در علوم اعصاب.
• مانیتورینگ محیطی : ایستگاه های هواشناسی پایش کیفیت آب و هوا اندازه گیری آلودگی صوتی.
• تولید و توزیع انرژی : پایش شبکه های برق تست و پایش سیستم های انرژی های تجدیدپذیر (خورشیدی بادی).
• آموزش : استفاده در آزمایشگاه های دانشگاهی برای آموزش مفاهیم اندازه گیری کنترل و پردازش سیگنال به دانشجویان مهندسی و علوم.

در تمام این کاربردها سیستم DAQ امکان جمع آوری داده های دقیق از دنیای واقعی را فراهم می کند که اساس تصمیم گیری کنترل تحلیل و بهبود فرآیندها و محصولات است.

نتیجه گیری کاربردی

کارت داده برداری (DAQ) ابزاری قدرتمند و ضروری در دنیای مدرن مهندسی و علوم است که به عنوان واسطی حیاتی بین دنیای فیزیکی و کامپیوتر عمل می کند. این کارت ها به ما اجازه می دهند تا پدیده های مختلف را از طریق سنسورها اندازه گیری کرده سیگنال های حاصل را به داده های دیجیتال تبدیل کنیم و از قدرت کامپیوتر برای تحلیل پایش کنترل و ذخیره سازی این داده ها بهره ببریم.

درک این نکته ضروری است که کارت DAQ تنها بخشی از یک سیستم داده برداری کامل است که شامل سنسورها آماده سازی سیگنال سخت افزار DAQ کامپیوتر و نرم افزار می شود. عملکرد موفقیت آمیز کل سیستم به انتخاب و هماهنگی مناسب تمام این اجزا بستگی دارد.

انتخاب کارت DAQ مناسب فرآیندی است که نیازمند درک دقیق نیازمندی های کاربردی از جمله نوع سیگنال ها تعداد کانال ها سرعت (نرخ نمونه برداری) دقت (رزولوشن و دقت کلی) شرایط محیطی و سازگاری نرم افزاری است. توجه به جزئیاتی مانند آماده سازی سیگنال مورد نیاز (تقویت فیلتر ایزولاسیون) و نوع اتصال (USB, PCIe, Ethernet) نیز برای رسیدن به یک راه حل کارآمد و قابل اطمینان حیاتی است.

در نهایت سیستم های DAQ به ما این امکان را می دهند که دید عمیق تری نسبت به فرآیندها و پدیده های اطراف خود پیدا کنیم سیستم ها را به طور مؤثرتری کنترل کنیم و تصمیمات مبتنی بر داده های دقیق و قابل اتکا بگیریم که این امر در پیشرفت صنایع مختلف تحقیقات علمی و بهبود کیفیت زندگی نقشی اساسی ایفا می کند.

پرسش و پاسخ (FAQ)

۱. تفاوت اصلی بین کارت DAQ و اسیلوسکوپ چیست؟

هر دو دستگاه برای اندازه گیری سیگنال های الکتریکی استفاده می شوند اما تمرکز و کاربرد آن ها متفاوت است.

• کارت DAQ : معمولاً برای اندازه گیری و کنترل عمومی طیف وسیع تری از سیگنال ها (آنالوگ دیجیتال شمارنده) طراحی شده است. تمرکز آن بر جمع آوری داده برای تحلیل در کامپیوتر اتوماسیون و کنترل است. اغلب دارای کانال های ورودی/خروجی متنوع تری است (AO, DIO, Counters) و ممکن است نرخ نمونه برداری پایین تری نسبت به اسیلوسکوپ های تخصصی داشته باشد اما رزولوشن بالاتری برای اندازه گیری های DC یا فرکانس پایین ارائه دهد. کارت DAQ معمولاً جزئی از یک سیستم مبتنی بر کامپیوتر است.
• اسیلوسکوپ : ابزاری است که عمدتاً برای مشاهده و تحلیل بصری شکل موج ها در حوزه زمان طراحی شده است به خصوص برای سیگنال های با سرعت بالا. تمرکز اصلی آن بر نمایش دقیق شکل موج اندازه گیری پارامترهای زمانی (مانند زمان صعود/نزول) و اشکال زدایی (Debugging) مدارات الکترونیکی است. اگرچه اسیلوسکوپ های دیجیتال مدرن قابلیت های ذخیره و تحلیل داده دارند اما معمولاً به اندازه کارت های DAQ در انواع ورودی/خروجی و یکپارچه سازی با سیستم های کنترلی انعطاف پذیر نیستند و اغلب به عنوان ابزار مستقل استفاده می شوند.

۲. آیا می توانم از کارت صدای کامپیوتر به عنوان کارت DAQ استفاده کنم؟

بله اما با محدودیت های بسیار زیاد. کارت صدای کامپیوتر اساساً یک کارت DAQ بسیار ابتدایی است که دارای ADC (برای ورودی میکروفون/Line-in) و DAC (برای خروجی بلندگو/هدفون) می باشد. اما :

• محدودیت فرکانسی : فقط برای فرکانس های صوتی (معمولاً ۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلوهرتز) طراحی شده است.
• کوپلاژ AC : ورودی ها و خروجی ها معمولاً AC-Coupled هستند به این معنی که نمی توانند سیگنال های DC (ولتاژ ثابت) را اندازه گیری یا تولید کنند.
• محدوده ورودی و حفاظت : محدوده ولتاژ ورودی بسیار محدود است (معمولاً حدود ۱-۲ ولت) و فاقد حفاظت در برابر ولتاژهای بالا است.
• دقت و کالیبراسیون : دقت پایینی دارد و معمولاً کالیبره نشده است.
• عدم وجود DIO و شمارنده : فاقد ورودی/خروجی دیجیتال یا شمارنده/تایمر است.
• نرخ نمونه برداری ثابت : نرخ های نمونه برداری محدودی (مانند ۴۴.۱ kHz, ۴۸ kHz) ارائه می دهد.

بنابراین کارت صدا فقط برای کاربردهای بسیار ساده و غیرحساس داده برداری در محدوده صوتی و برای سیگنال های AC مناسب است و به هیچ وجه جایگزین یک کارت DAQ واقعی برای اندازه گیری های دقیق و کاربردهای صنعتی یا علمی نمی شود.

۳. مهم ترین مشخصه در انتخاب کارت DAQ چیست؟

تعیین “مهم ترین“ مشخصه دشوار است زیرا به شدت به کاربرد خاص شما بستگی دارد. نمی توان یک مشخصه واحد را برای همه کاربردها به عنوان مهم ترین در نظر گرفت. با این حال تطابق دقیق مشخصات کارت با نیازمندی های سیگنال مورد اندازه گیری حیاتی ترین جنبه انتخاب است.

به طور کلی مجموعه ای از مشخصات کلیدی باید با دقت بررسی شوند :

• سازگاری با نوع سیگنال : آیا کارت می تواند نوع سیگنال شما را اندازه گیری کند (ولتاژ جریان دیجیتال پالس)؟
• محدوده ورودی : آیا محدوده ولتاژ یا جریان سیگنال شما در محدوده قابل قبول کارت قرار دارد؟
• نرخ نمونه برداری : آیا نرخ نمونه برداری کارت برای ثبت دقیق تغییرات سیگنال شما کافی است (حداقل دو برابر بالاترین فرکانس سیگنال)؟
• رزولوشن : آیا رزولوشن کارت (تعداد بیت ADC) دقت مورد نیاز برای اندازه گیری شما را فراهم می کند؟

عدم تطابق هر یک از این پارامترهای اساسی می تواند منجر به داده های نادرست یا بی فایده شود. پس از اطمینان از پوشش این موارد پایه مشخصات دیگری مانند دقت کلی تعداد کانال ها نوع اتصال قابلیت های آماده سازی سیگنال سازگاری نرم افزاری و بودجه اهمیت پیدا می کنند. اما اساس کار تطبیق اولیه مشخصات اندازه گیری کارت با ماهیت سیگنالی است که قصد دارید اندازه گیری کنید.