مقدمه
ريزپردازنده‌ها، ريزکنترل‌کننده‌ها، رايانه‌های تک‌برد و رايانه‌های شخصی، امروزه به طور گسترده در سيستم‌های اندازه‌گیری استفاده می‌شود. برای مهندسين، فهميدن چگونگی به‌دست آوردن مستقيم اطلاعات آنالوگ و اطلاعات از محيط اطراف با اين وسايل، به طور فزاينده‌ای اهميت يافته است. برای نمونه، سيگنال خروجی يک حسگر (سنسور) را به صورت سيگنال آنالوگی که در شکل زیر نشان داده شده است در نظر بگيريد. سيگنال را با وسيله‌ی آنالوگی مانند ثبت‌کننده‌ی نمودار، که به صورت فيزيکی سيگنال را روی کاغذ ترسيم می‌نمايد، يا با نمايش آن توسط نوسان‌نما (اسیلوسکوپ)، می‌توان ثبت نمود. گزينه‌ی ديگر اين است که اطلاعات توسط ريزپردازنده يا رايانه ذخيره شود. اين فرآيند را جمع‌آوری داده يا داده‌برداری (Data Acquisition) به صورت رايانه‌ای می‌نامند.
تجهیزات داده‌برداری
برای دادن اطلاعات يا داده‌ی آنالوگ (قياسی) به مدار ديجيتال (رقمی) يا ريزپردازنده، ابتدا لازم است که داده‌های آنالوگ به مقادير ديجيتال سازگار با پردازنده‌ی ديجيتالی تبديل شود. مرحله‌ی اول، ارزيابی عددی سيگنال، در لحظاتی جداگانه از زمان می‌باشد. اين فرآيند را نمونه‌برداری (Sampling) گويند و نتيجه‌ی آن چنانکه در شکل زیر نشان داده شده، سيگنال ديجيتالی‌شده است. این سیگنال ترکيبی از مقادير گسسته‌ی مطابق با هر نمونه می‌باشد. بنابراين سيگنال ديجيتالی‌شده ترتيبی از اعداد است که تقريبی برای سيگنال آنالوگ می‌باشد.
سيگنال آنالوگ و معادل نمونه‌برداری‌شده‌ی آن
برقراری ارتباط بين رايانه و دنيای خارج
علت اصلی استفاده از نرم‌افزار لب‌ویو (LabVIEW)، قابلیت گردآوری داده‌ها یا داده‌برداری می‌باشد. همانگونه که می‌دانید به کمک این بسته‌ی نرم‌افزار‌‌ی و با جمع‌آوری داده‌ها از دنیای خارج از رایانه توسط کارت‌های داده‌بردار (DAQ) و GPIB و غیره می‌توان رایانه را به یک سیستم اندازه‌گیری مجازی تبدیل نمود.
نرم‌افزار لب‌ویو (LabVIEW)
سیستم اندازه‌گیری مجازی یا به اصطلاح VI، پایه و اساس آزمایشگاه‌های نوین و امروزی است. مجموعه‌ی سیستم اندازه‌گیری مجازی شامل یک دستگاه رایانه، نرم‌افزار مربوط و کارت‌هایی است که تجهیزات و ابزار آزمایشگاهی را شبیه‌سازی می‌کنند. این نرم‌افزار همان برنامه‌ای است که آن را LabVIEW می‌نامیم.
اگرچه این بسته‌ی نرم‌افزار‌‌ی، ابزاری قدرتمند جهت شبیه‌سازی داده‌هاست، اما در بیشتر موارد برای جمع‌آوری داده‌ها و برقراری ارتباط بین رایانه و دنیای خارج نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان نمونه، به کمک نرم‌افزار LabVIEW می‌توان از کارت‌های داده‌بردار جهت گردآوری داده و یا تولید سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال استفاده نمود.
تجهیزات داده‌برداری
به کمک این کارت‌ها و نرم‌افزار لب‌ویو (LabVIEW) می‌توان دمای یک محیط را تحت کنترل و نظارت قرار داد، سیگنال‌هایی را به یک سیستم دیگر ارسال نمود و یا مقدار فرکانس (بسامد) یک سیگنال ناشناخته را تعیین کرد.
با به کارگیری نرم‌افزار لب‌ویو (LabVIEW) و کارت‌های GPIB یا درگاه‌های سریال رایانه می‌توان داده‌ها را به آسانی جمع‌آوری نمود. جهت برقراری ارتباط بین رایانه و نوسان‌نما، مولتی‌متر، اسکنر و همچنین برای بهره‌برداری از سیستم‌های اندازه‌گیری که در فواصلی دور از سیستم کنترل خود قرار دارند می‌توان از کارت‌های GPIB استفاده کرد. به کمک این بسته‌ی نرم‌افزار‌‌ی می‌توان پس از جمع‌آوری داده‌ها به کمک چند VI که جهت تجزیه و تحلیل داده‌ها در LabVIEW، داده‌ها را پردازش کرده و آن‌ها را نمایش داد.
گردآوری داده یا داده‌برداری (DAQ)
DAQ به طور خلاصه به اندازه‌گیری یک سیگنال (نشانک) حقیقی نظیر ولتاژ و ارسال آن به رایانه جهت پردازش، تجزیه و تحلیل، ذخیره و اعمال تغییرات اطلاق می‌گردد. سیستم‌های جمع‌آوری داده یا داده‌برداری، واسطه‌ای بین دنیای کمیت‌های فیزیکی که ذاتاً آنالوگ هست با دنیای رایانه و سیگنال‌های دیجیتال فراهم می‌کنند.
زیرسیستم اصلی یک سیستم داده‌برداری عبارت اند از:
- تراگردان (مبدل یا ترانسدیوسر)
- مدارهای آمایش سیگنال
- تافتگر (Multiplexer)
- مدار نمونه‌بردار و نگهدار
- مبدل A/D (آنالوگ به دیجیتال)
در این رابطه بخوانید:
در شکل زیر اجزای یک سیستم داده‌برداری نشان داده شده است.
اجزای یک سیستم داده‌برداری
اجزای یک سیستم داده‌برداری
در شکل بالا منظور از پدیده‌های فیزیکی، کمیت فیزیکی مورد نظر یا همان سیگنال است. این سیگنال ممکن است سرعت، درجه حرارت، رطوبت، فشار، pH، مقدار جریان، سیگنال وضعیت روشن و خاموش شدن یک سیستم، شدت نور و … باشد.
حسگرها و تراگردان‌ها (ترانسدیوسرها) کمیت فیزیکی مورد نظر را می‌سنجند و یک سیگنال الکتریکی متناسب با مقدار اندازه‌گیری شده تولید می‌کنند. به عنوان نمونه، ترموکوپل‌هایی که می‌توان آن را نوعی تراگردان فرض کرد، درجه حرارت را به ولتاژ تبدیل می‌کنند. این سطوح ولتاژ توسط «مبدل آنالوگ به دیجیتال» که به طور خلاصه آن را با A/D نمایش می‌دهند، قابل اندازه‌گیری خواهند بود.
در این رابطه بخوانید:
نمونه‌های دیگری از حسگرها و تراگردآن‌ها عبارت‌اند از گیج‌های کشش، جریان‌سنج‌ها و مبدل‌های فشار که به ترتیب جهت اندازه‌گیری نیرو، مقدار جریان و فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند. در هر یک از حالات یادشده، سیگنال الکتریکی ایجاد شده توسط مبدل با کمیت فیزیکی مورد نظر متناظر است.
به کمک نرم‌افزار LabVIEW و کارت‌های داده‌بردار می‌توان سیگنال آنالوگ را با استفاده از مبدل A/D قرائت نمود. با به کارگیری این نرم‌افزار و کارت‌های مذکور می‌توان در موارد زیر از قابلیت‌های این نرم‌افزار استفاده نمود:
خواندن سیگنال‌های آنالوگ با استفاده از مبدل A/D، تولید سیگنال‌های خروجی آنالوگ به کمک مبدل D/A، خواندن و یا ارسال سیگنال‌های دیجیتال، اعمال تغییر در شمارنده‌های موجود در کارت‌ها جهت اندازه‌گیری بسامد (فرکانس)، تولید پالس و غیره.
در شکل زیر یک نمونه از کارت داده‌بردار نشان داده شده است.
نمونه ای از یک کارت داده‌برداری پی‌سی‌آی شرکت نشنال اینسترومنتس (NI)
«واحدهای آمایش (تطبیق) سیگنال» یا Signal Conditioning Modules سیگنال‌های تولید شده توسط مبدل‌ها را با سیگنال‌ها و سطوح ولتاژ قابل قبول برای کارت‌های داده‌بردار منطبق می‌سازند. به عنوان نمونه فرض کنید که می‌خواهید ولتاژهای فشار قوی سیستم روشنایی شهر را مورد بررسی قرار دهید و آن‌ها را تجزیه و تحلیل کنید. در صورت عدم استفاده از این واحدها، رایانه، کارت‌های داده‌بردار و اجزای دیگر مورد استفاده در این پروژه از بین خواهند رفت و موجب وارد آمدن خسارات جبران‌نا‌پذیری خواهند شد.
در این رابطه بخوانید:
واحدهای آمایش سیگنال، اعمالی نظیر تقویت، تضعیف، خطی‌سازی، فیلتر کردن، ایزوله‌سازی و غیره را انجام می‌دهند. در بیشتر موارد، استفاده از این واحدها الزامی است، مگر در مواردی معدود که سیگنال (نشانک) مورد بحث از نوع دیجیتال (رقمی) بوده و سطح ولتاژ آن نیز پایین باشد. در هنگام استفاده از این واحدها باید مواظب بود که از نظر الکتریکی به رایانه و کارت‌های داده‌بردار آسیبی وارد نگردد. در مورد استفاده از واحدهای آمایش، حالت امتحانی یا انتخابی وجود نداد، یعنی برای به کارگیری یک واحد آمایش (تطبیق) نمی‌توان از روش «سعی و خطا» استفاده کرد، بلکه باید قبل از شروع به کار حتماً شرایط و انطباق پارامترها و موارد خواسته شده با واحد مربوط را بررسی نمود.
در این رابطه بخوانید:
همانگونه که اشاره شد، استفاده از واحدهای آمایش به مواردی همچون شرایط، نوع سیگنال و سطح ولتاژ سیگنال تولید شده توسط مبدل‌ها بستگی دارد. به عنوان نمونه، فرض کنید که کمیت فیزیکی مورد بحث، «دمای محیط» باشد. برای اندازه‌گیری دما توسط نرم‌افزار LabVIEW باید ابتدا حسگر گرمایی را به یکی از درگاه‌های ورودی آنالوگ در کارت داده‌بردار ارتباط دهیم. جهت برقراری ارتباط مذکور در بیشتر موارد، استفاده از واحد آمایش الزامی است. نوع این واحد نیز به نوع حسگر و سطح سیگنال (نشانک) ایجاد شده بستگی دارد. پس از انتخاب یک واحد مناسب با استفاده از VIهای مربوط به داده‌بردار که در نرم‌افزار تعبیه شده است، می‌توان سطح ولتاژ کانال کارت داده‌بردار را خواند و داده‌ها را بر روی صفحه به نمایش در آورده و این داده‌ها را ذخیره نمود و سپس به بررسی و تجزیه و تحلیل آن‌ها پرداخت.
در شکل زیر یک نمونه از سیستم داده‌برداری نشان داده شده است.
نمونه‌ای از سیستم داده‌برداری
جمع‌بندی
در این گزارش در رابطه با سامانه‌های داده‌برداری، اجزای آن و نرم‌افزار لب‌ویو (LabVIEW) مطالب مختصری ارائه گردید.
مراجع
1- کتاب راهنمای جامع LabVIEW، نوشته فربد قابوسی، چاپ اول. تهران: نشر آفرنگ، 1382
2- کتاب «مکاترونیک» نوشته علیرضا نداف اسکویی؛ کیومرث قلی‌پور چناری و عباسعلی فرقانی اله‌آبادی، چاپ اول. تهران: نشر سپاهان، 1386
3- کتاب ابزارها و اندازه‌گیری الکترونیکی، نوشته لاری دی، جونز؛ ای فاستر، چین، ترجمه نایینی، محمدمهدی. چاپ اول. تهران: انتشارات دانشگاه شریف، 1382
همچنین بخوانید:
