從設計確認和驗證，一直到加快產品壽命和生產的測試等，資料擷取(DAQ)都是各種研究和工程活動的關鍵功能。雖然DAQ系統的組成要件很簡單，僅包含感測器、量測硬體和軟體，但後續作業可能相當複雜。
由於系統可能需要測量各種物理現象，因此必須具備靈活性和可擴充性，同時還要堅固耐用，而且成本也是必要的考量因素之一。有鑑於此，DAQ系統的挑選與建構作業相當複雜。如果系統規格過高，成本就會很高，使用起來可能會很麻煩。如果系統規格過低，則無法勝任目前或未來的任務。為了解決此難題，設計人員可以採用模組化作法，也就是一開始先用帶有多個插槽的耐用型高效能機箱，然後隨著時間的推移，添加所需的處理效能、功能和連接選項。
本文將檢視挑選時必須瞭解的DAQ系統效能指標，包括類比訊號的數位化、奈奎斯特取樣定理和交疊、輸入範圍、取樣率，以及多工與同步取樣。然後會介紹一種模組化作法，如廠商NI(National Instruments)的CompactDAQ機箱為基礎，搭配類比和數位I/O模組，以及多種軟體要件，包括開發環境選項、驅動程式和分析/報告工具等。
DAQ的要求和效能指標
如前所述，基本程度的DAQ含有感測器、訊號調整、類比數位轉換器(ADC)、處理器和相關軟體(圖1)。設計人員的任務是讓系統元件與受量測和分析的項目互相匹配，同時也要控制成本和架設時間。
圖1 DAQ系統由感測器、提供訊號調整和數據轉換功能的DAQ量測裝置，以及包含驅動程式和應用軟體在內的運算資源所組成
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為了匹配這些要件，務必了解精確度、訊號振幅和訊號頻率，皆屬於DAQ系統的基礎參數。這些參數可分別轉換成量測解析度、範圍和速率。在許多應用中，解析度是最重要的考量因素。解析度會界定可用的測量值數量。舉例來說，一個3位元解析度的裝置可以測量8個可能的數值(2³) ，而6位元解析度的裝置則可測量64個(2⁶)可能的數值，當解析度越高，轉換後的測量值就能更精確地反映訊號(圖2)。
圖2 DAQ裝置的精確度會反映在解析度上；6位元解析度的DAQ裝置提供的資訊量是3位元解析度的8倍(8倍的精確度)
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指定ADC將設定成在一組輸入範圍，圖3舉例說明，當在±10V內進行量測，而DAQ裝置的解析度可應用到整個範圍。如果在較小的範圍如±2V內進行量測，則量測結果只會達到DAQ裝置指定解析度的一小部分，在此例中約為20%。使用可選擇輸入範圍的DAQ裝置，就可解決這個問題。常見的輸入範圍包括±10V、±5V、±1V和±0.2V，根據訊號範圍調整輸入範圍，將可達到更高品質的量測。
圖3 使用3位元解析度和±10V範圍(左側的灰線，及範圍頂端和底部的虛線)的DAQ裝置來量測±2V訊號(中間的正弦波)，會導致準確度大幅降低
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取樣率/奈奎斯特/超取樣
取樣率是指ADC將類比輸入轉換為數位數據的速率。取樣率和解析度可能呈逆相關。通常，只有降低解析度位元數才有可能達到更高的取樣率，原因在於取樣率越高，留給ADC進行訊號數位化的時間就越少。因此，取樣率最佳化相當重要。 奈奎斯特取樣定理對此有所幫助，其指出，當取樣率fs超過最大訊號頻率兩倍時，即可準確量測原始訊號的頻率，這便是所謂的奈奎斯特頻率fN。為了準確量測原始訊號的形狀和頻率，奈奎斯特定理要fs為最大訊號頻率的5至10倍。使用高於fN的取樣率即稱為超取樣。
除了瞭解fN之外，最佳化fs時還需要處理交疊和重影問題，交疊是一種效應，會在取樣率過低，無法準確擷取高頻率內容時，導致取樣訊號頻譜失真。超取樣可以消除交疊，也可以用於擷取快速訊號邊緣、一次性事件和暫態，但若fs過高，則會在多工取樣過程中出現一種稱為重影的現象。
在較高的多工取樣率下，各個輸入通道的趨穩時間就會成為一個影響因素。當取樣率超過DAQ裝置的趨穩時間時，就會出現重影。此時，相鄰通道上的訊號會造成干擾，導致重影和量測準確度降低(圖4)。
圖4 在左側，取樣率夠低，因而能在通道0(灰色)和通道1(淺灰色)間量測時正確地趨穩。在右側，由於取樣率過高而出現重影，通道0影響了通道1的量測結果
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DAQ裝置的有效取樣率會受到所選的同步或多工架構影響。同步取樣會在每個輸入通道使用一個ADC，並且會在所有通道達到完整的取樣率，而不受通道數的影響(圖5)。
圖5 同步取樣可在所有通道達到完整的數據傳輸率，而在多工取樣中，所有通道會共用完整取樣率，導致每個通道的速率較低
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同步取樣可一次擷取多個樣本。同步架構的成本相對較高，涉及的元件較多，進而限制了單一DAQ裝置中可使用的通道數。多工架構則會使用多工器，在所有通道中共用一個ADC，進而降低每個通道可達到的最大速率，其樣本是以串聯方式擷取，且通道之間會有延遲。多工架構的成本較低，因此能讓DAQ裝置具有更高的通道密度。
打造緊湊型DAC系統
打造DAC系統的第一步就是挑選機箱，市面上的機箱採用各式各樣的通訊匯流排，包括PCI和PCIe(PCI Express)、高速USB、PXI和PXIe(PXI Express)及乙太網路2.0。對於NI的C系列I/O模組來說，可支援的插槽數也從1至14個，例如781156-01有8個插槽和一個USB 2.0介面，只需插入模組，即可在系統中增添額外的量測類型和通道。系統會自動偵測所有模組，並將其與機箱背板中的時脈同步(圖6)。
圖6 NI的CompactDAQ機箱具有8個插槽和一個USB 2.0高速介面
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通訊匯流排是機箱規格的重要部分，挑選機箱時，選擇合適的DAQ通訊匯流排相當重要，匯流排應可配合所需的數據傳輸率、距離以及可攜性需求。USB提供的60Mbit/s足以滿足大多數應用，而且USB具有良好的靈活性和可攜性；乙太網路可用於實體規模較大的應用，能夠支援更長的纜線距離和分散式DAQ系統；PCI和PCIe匯流排能讓裝置插入桌上型電腦，進行資料記錄和分析；PXI和PXIe匯流排類似於PCI和PCIe，但提供優異的同步功能，可促成大量資料的整合和比較(表1)。
挑選好機箱後，設計人員就可以針對量測、控制和通訊應用，從60多個模組中進行挑選。C系列模組可連接至幾乎所有種類的感測器或匯流排，並能進行高準確度的量測，滿足DAQ和控制應用的需求(圖7)。這些熱抽換模組不僅提供特定量測的訊號調整，可過濾雜訊並隔離數據，還可進行類比數位轉換，並具有多種輸入連接器。該模組可用於多種DAQ和控制功能，包括類比輸入模組、類比輸出模組和數位輸入和輸出模組。
圖7 C系列模組採用常見的外形尺寸，可在任何CompactDAQ機箱上進行熱插拔，並且提供多種輸入連接器，能夠滿足不同應用的需求
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類比輸入模組有多達16個通道，可用於連接電壓、電流以及常見的感測器，以便測量溫度、聲音、應力、壓力、負載和振動等。例如，NI 9239是一般用途的四通道類比輸入模組，每個通道提供±10V的量測範圍和24位元解析度，並可在最大取樣率下輸出50kS/s的資料。
類比輸出模組提供2、4和16個通道，可用於產生電壓訊號，並且控制工業電流驅動式致動器。NI 9263是四通道的類比輸出模組，具有通過美國國家標準暨測試局(NIST)認可的校準功能，並具備過電壓保護、短路保護、快速迴轉率和高準確度。
數位輸入和輸出模組可用於產生和讀取數位訊號。數位輸入模組提供4、6、8、16和32個通道，輸出和雙向模組則提供8、16和32個通道。NI 9423是八通道的數位輸入模組，相容於24V訊號，可搭配工業邏輯位準和訊號使用，可直接連接到一系列工業開關、感測器和其他裝置；NI 9472是八通道數位輸出模組，相容於6至30V的訊號，並可直接連接至致動器、繼電器和馬達等多種工業裝置。
硬體與軟體整合
軟體是打造緊湊型DAQ系統的最後一步。NI-DAQmx應用程式開發介面(API)可直接配合多種開發選項使用，包括LabVIEW、C、C#和Python，此API可在所有DAQ裝置上順利操作，並可針對硬體升級或變動而導致的重新開發，將其降至最低，更還可存取文件、說明檔案和大量可立即執行的軟體範例，藉此加速應用開發。
開發人員可以介入每個專案所需的編程層級工作，FlexLogger資料記錄軟體提供直覺且以感測器為主的配置開發環境，可以與LabVIEW整合，進行客製化分析。透過LabVIEW的支援，就可使用互動式分析面板，或是全功能的編程環境，對硬體進行配置，進階開發人員則可使用絕大多數編程語言，直接與DAQmx API進行介接，以便進行客製化並發揮效能(圖8)。
圖8 DAQ軟體選擇流程圖顯示，開發人員如何在各個專案中，介入其所需的編程層級進行作業
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DAQ系統支援多種通訊匯流排
從零開始設計DAQ是複雜的任務。包括感測器、訊號調整、處理、I/O和軟體，都必須要滿足現有任務，同時還可隨時間進行修改和更新。與其組合各種要件，開發人員可以採用模組化作法，快速有效地設計一套緊湊型DAQ系統，其中含有感測器、硬體和軟體，且皆可隨著時間的推移以及應用需求的變化來進行更換。
此外，本文所述的作法可支援多種通訊匯流排，包括PCI和PCIe、高速USB、PXI和PXIe以及乙太網路2.0，可滿足特定的系統要求。此作法採用熱抽換模組，不僅能提供量測專用的訊號調整來過濾雜訊並隔離數據，還可提供類比數位轉換以及多種輸入連接器，以及該作法也很靈活，可以整合多種量測軟體，其中包括LabVIEW、C、C#和Python。
(本文作者任職於Digi-Key)