데이터 수집 소개

본 튜토리얼은 내쇼날인스트루먼트의 측정 기본 사항 시리즈 중 일부입니다. 본 시리즈의 각 튜토리얼은 개념 설명과 실질적인 예시를 통해 일반적인 측정 어플리케이션의 세부 토픽에 대해 설명합니다. 본 튜토리얼은 컴퓨터 기반 데이터 수집 시스템의 기본적인 요소를 소개합니다. 튜토리얼의 전체 목록은 NI 측정 기본 사항 메인 페이지에서 찾을 수 있습니다.

 

소개

데이터 수집에는 측정 소스로부터 신호 수집, 그리고 PC에서 저장, 분석 및 디스플레이를 위한 신호 디지타이징이 있습니다. 여러가지 다른 PC 기술 형태를 사용하는 데이터 수집 (DAQ) 시스템이 있으므로 사용자는 유동적으로 시스템을 선택할 수 있습니다. 과학자 및 엔지니어는 PCI, PXI, PCI Express, PXI Express, PCMCIA, USB, IEEE 1394, 병렬 또는 시리얼 포트 중 선택하여 테스트, 측정 및 자동화 어플리케이션용 데이터 수집을 진행할 수 있습니다. 기본적인 DAQ 시스템을 구축하기 위해 고려해야 할 5가지 요소가 있습니다. (그림 1)
· 트랜스듀서 및 센서
· 신호
· 신호 컨디셔닝
· DAQ 하드웨어
· 드라이버 및 어플리케이션 소프트웨어

그림 1. 데이터 수집 시스템

본 문서는 DAQ 시스템의 5가지 요소에 대해 설명하고 기본적인 데이터 수집에 대해 소개합니다.  

트랜스듀서

데이터 수집을 위해서는 우선 측정을 필요로 하는 물리적인 현상이 있어야 합니다. 물리적인 현상은 실내 온도, 광원의 강도, 챔버 내부 압력, 물체에 가해지는 힘 등을 들 수 있습니다. DAQ 시스템은 이러한 다양한 모든 현상을 측정할 수 있습니다.

트랜스듀서는 물리적 현상을 측정가능한 전기 신호 즉, 전압이나 전류로 변환하는 디바이스입니다. 따라서 여러 물리 현상을 측정할 수 있는 DAQ 시스템의 능력은 DAQ 하드웨어가 측정할 수 있도록 신호로 변환해주는 트랜스듀서에 달려있습니다. 트랜스듀서는 DAQ 시스템의 센서와 동일한 의미입니다. 온도, 압력, 유체 흐름 측정 등 여러가지 어플리케이션에 적합한 전용 트랜스듀서가 있습니다. 그림 2는 일반적인 트랜스듀서의 간략한 목록과 트랜스듀서에 의해 측정가능한 현상을 보여줍니다.

각기 다른 트랜스듀서는 물리 현상을 측정가능한 신호로 변환하기 위해 각기 다른 요구사항을 필요로 합니다. 전압 또는 전류의 형태에서 여기 (excitation)를 필요로 하는 트랜스듀서가 있습니다. 또한, 신호 생성을 위해 추가 요소 및 저항 네트워크를 필요로 하는 트랜스듀서도 있습니다. 트랜스듀서에 대한 더욱 상세한 정보는 ni.com/sensors를 참조하십시오.  

신호

트랜스듀서는 물리적인 현상을 측정가능한 신호로 변환합니다. 그러나, 신호 유형에 따라 신호의 측정 방법도 달라져야 합니다. 따라서, 다른 유형의 신호 및 그에 따른 특성을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 신호는 다음의 두 가지로 분류됩니다.

· 아날로그
· 디지털


아날로그 신호

아날로그 신호는 시간과 관련된 어떤 값으로도 나타낼 수 있습니다. 아날로그 신호의 몇 가지 예로는 전압, 온도, 압력, 사운드 및 로드 등을 들 수 있습니다. 아날로그 신호의 기본적인 세 가지 특징으로는 레벨, 형태, 주파수가 있습니다. (그림 3)

레벨
아날로그 신호는 어떠한 값도 취할 수 있으므로, 레벨은 측정된 아날로그 신호에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 광원의 강도, 실내 온도, 챔버 내 압력 등은 신호의 레벨이 얼마나 중요한지를 보여주는 예입니다. 일반적으로 신호의 레벨 측정시에 신호는 시간 측면에서 빨리 변화하지 않습니다. 그러나 이 때 측정의 정확도가 매우 중요합니다. 따라서 아날로그 레벨 측정에는 최대 정확도를 제공하는 DAQ 시스템을 선택해야 합니다.

형태
사인파, 사각파, 톱니파, 삼각파 등과 같이 특정한 형태에 따라 이름이 붙여지는 신호가 있습니다. 아날로그 신호의 형태를 측정하면 피크 값, DC 값, 기울기 등 신호를 더욱 자세히 분석할 수 있으므로 아날로그 신호의 형태는 레벨과 마찬가지로 중요합니다. 일반적으로 형태 측정에 있어 신호는 시간에 따라 빨리 변화하지 않습니다. 그러나 여전히 시스템 정확도는 중요합니다. 심박동 분석, 비디오 신호, 사운드, 진동 및 회로 응답 등은 형태를 측정하는 어플리케이션의 예입니다.

주파수
모든 아날로그 신호는 주파수에 따라 분류될 수 있습니다. 신호의 레벨 또는 형태와는 달리 주파수는 직접 측정될 수 없습니다. 주파수 정보를 얻기 위해서는 소프트웨어를 사용하여 신호를 분석해야 합니다. 이러한 분석은 푸리에 변환 (Fourier transform)으로 알려진 알고리즘을 사용하여 수행됩니다.

신호 정보 중 주파수가 가장 중요시될 경우에는 정확도 및 수집 속도를 반드시 고려해야 합니다. 주파수 수집을 위한 속도는 형태 수집을 위한 속도보다 높지 않지만, 아날로그 신호가 수집되는 동안 부가 정보가 손실되지 않기 위해서 반드시 충분히 빠른 속도로 신호가 수집되어야 합니다. 이러한 속도는 나이키스트 샘플링 이론  을 통해 구체적으로 설명됩니다. 음성 분석 (Speech analysis), 텔레커뮤니케이션, 지진 분석 등은 신호의 주파수가 반드시 필요한 어플리케이션의 예입니다.


디지털 신호

디지털 신호는 시간과 관련된 어떠한 값도 취하지 않습니다. 그대신, 디지털 신호에는 높고 낮음의 두 가지의 레벨이 있습니다. 일반적으로 디지털 신호는 신호의 특징을 정의하는 특정한 스펙을 따릅니다. 디지털 신호는 보통 TTL (transistor-to-transistor logic)이라고 알려져 있습니다. TTL 스펙에 따르면 디지털 신호가 0 ~ 0.8 V일 때 낮음, 2 ~ 5 V일 때 높음입니다. 디지털 신호에서 측정될 수 있는 유용한 정보로는 상태와 속도가 있습니다. (그림 4)

상태
디지털 신호의 상태는 기본적으로 On/Off, High/Low와 같은 신호의 레벨과 관련이 있습니다. 스위치의 상태 (열림/닫힘) 모니터링은 디지털 신호의 상태를 알아야 하는 대표적인 어플리케이션입니다.

속도
디지털 신호의 속도는 디지털 신호 변화가 시간에 따라 어떻게 나타나는 지를 설명합니다. 디지털 신호의 속도를 측정하는 일반적인 예는 모터 축 회전 속도 측정을 들 수 있습니다. 주파수와는 달리, 디지털 신호의 속도는 신호의 한 부분이 얼마나 자주 나타나는지를 측정합니다. 신호의 속도를 측정하는 데에는 소프트웨어 알고리즘이 필요하지 않습니다.  

신호 컨디셔닝

트랜스듀서는 때로는 DAQ 디바이스로 직접 측정하기에 매우 어렵거나 위험한 신호를 생성합니다. 다시 말해, 고전압, 소음이 심한 환경, 극도로 높거나 낮은 신호, 또는 동시 신호 측정 등을 다루어야 할 경우, DAQ 시스템는 신호 컨디셔닝이 필수적입니다. 신호 컨디셔닝은 시스템의 정확도를 극대화하므로 센서가 적절히 작동할 뿐 아니라 시스템을 물리적인 손상으로부터 보호합니다.

신호 컨디셔닝을 위한 적합한 하드웨어를 선택하는 것이 중요합니다. 신호 컨디셔닝은 모듈형 및 통합형의 두 가지 형태로 제공됩니다. (그림 5) 신호 컨디셔닝 액세서리는 다음과 같은 다양한 어플리케이션에서 사용됩니다.

· 증폭
· 감쇠
· 절연
· 브리지 완성
· 동시 샘플링
· 센서 여기
· 멀티플렉싱

신호 컨디셔닝시 고려해야 할 다른 중요한 기준에는 패키지 (모듈형 vs 통합형), 성능, I/O 개수, 고급 기능, 가격 등이 있습니다.   ni.com/signalconditioning/ko/에 있는 온라인 툴을 사용하여 각 어플리케이션에 적합한 최상의 컨디셔닝 솔루션을 구성하십시오.

그림 5. 신호 컨디셔닝 하드웨어 옵션

 

DAQ 하드웨어

DAQ 하드웨어는 컴퓨터와 외부 사이의 인터페이스 역할을 합니다. 반입되는 아날로그 신호를 디지타이즈하여 컴퓨터가 그 신호를 해독하도록 하는 디바이스의 역할을 합니다. 또 다른 데이터 수집 기능은 다음과 같습니다.

· 아날로그 입출력 
· 디지털 입출력 
· 카운터/타이머 
· 다기능 - 단일 디바이스에서 아날로그, 디지털, 카운터를 통합

내쇼날인스트루먼트는 데이터 수집을 위한 여러가지 하드웨어 플랫폼을 제공합니다. 가장 쉽게 사용가능한 플랫폼은 데스크탑 컴퓨터입니다. NI는 모든 데스크탑 컴퓨터에 플러그할 수 있는 PCI DAQ 보드를 제공합니다. 또한, NI는 측정 및 자동화 어플리케이션을 위해 특별 제작된 견고한 모듈형 컴퓨터 플랫폼인 PXI/CompactPCI용 DAQ 모듈을 제공합니다. 내쇼날인스트루먼트의 Compact FieldPoint는 분산 측정을 위해 모듈형 I/O, 임베디드 작동 및 이더넷 통신을 제공합니다. 내쇼날인스트루먼트의 USB 및 PCMCIA용 DAQ 디바이스는 이동 또는 휴대용 측정을 위해 노트북 또는 PocketPC PDA에서 작동합니다. (그림 6) 또한 NI는 최근 차세대 PC I/O 버스인 PCI Express용 DAQ 디바이스 및 고성능 PXI 버스인 PXI Express용 디바이스를 출시하였습니다.
 

 

드라이버 및 어플리케이션 소프트웨어

드라이버 소프트웨어

소프트웨어는 PC 및 DAQ 하드웨어를 완벽한 데이터 수집, 분석 및 프리젠테이션의 도구로 전환합니다. 하드웨어를 컨트롤하거나 구동할 수 있는 소프트웨어가 없으면 DAQ 디바이스는 제대로 작동하지 않습니다. 드라이버 소프트웨어는 하드웨어와 편리하게 통신하기 위한 소프트웨어의 계층입니다. 즉, 어플리케이션 소프트웨어와 하드웨어의 중간층을 형성하는 것입니다. 따라서 드라이버 소프트웨어를 사용하는 프로그래머는 하드웨어 기능에 액세스할 때 레지스터 레벨의 프로그래밍이나 복합적인 명령을 수행할 필요가 없습니다. 내쇼날인스트루먼트는 2가지 소프트웨어 옵션을 제공합니다.

· NI-DAQmx 드라이버 및 추가 측정 서비스 소프트웨어
· NI-DAQmx Base 드라이버 소프트웨어

NI-DAQmx 출시에 힘입어, 프로그램 구축에서 고성능 측정 어플리케이션 배포까지 걸리는 시간을 대폭 절감함으로써 내쇼날인스트루먼트는 DAQ 어플리케이션 개발에 혁명을 가져왔습니다. NI-DAQmx에 포함되어 있는 DAQ Assistant는 측정 데이터를 구성, 테스트 및 수집하기 위한 그래픽 기반의 인터랙티브한 가이드입니다. 단 한번의 마우스 클릭으로 각 설정에 기반한 코드를 생성할 수 있으므로 복합적인 작업의 개발이 매우 간단하며 신속해집니다. DAQ Assistant는 완벽한 메뉴 드리븐 환경이므로 프로그래밍 에러가 현저히 줄어들며 DAQ 시스템 셋업에서 최초의 측정까지 걸리는 시간이 대폭 줄어듭니다.

NI-DAQmx Base는 Windows, Linux 뿐 아니라, Mac OS X, Pocket PC OS에서 NI-DAQmx의 부분적인 기능을 제공합니다.

어플리케이션 소프트웨어

어플리케이션 계층은 특정 기준을 만족하는 사용자 정의 어플리케이션을 구축할 수 있는 개발 환경일 수도 있으며, 미리 설정된 기능이 있는 설정 기반의 프로그램일 수도 있습니다. 어플리케이션 소프트웨어는 드라이버 소프트웨어에 분석 및 프리젠테이션 기능을 추가합니다. 적합한 어플리케이션 소프트웨어를 선택하기 위해서는 어플리케이션의 복합성을 평가하고, 어플리케이션에 적합한 설정 기반 소프트웨어 사용가능 여부를 파악하며, 어플리케이션 개발을 위한 시간을 고려해야 합니다. 어플리케이션이 복합적이거나 프로그램이 존재하지 않을 경우에는 개발 환경을 사용하십시오.

내쇼날인스트루먼트는 완벽한 계측, 수집 및 제어 어플리케이션을 개발할 수 있도록 3가지 개발 환경 소프트웨어 제품을 제공합니다.

· LabVIEW 그래픽 기반 프로그래밍
· LabWindows™/CVI 종전의 C 프로그래머를 위한 환경
· Measurement Studio Visual Basic, C++, 및 .NET용

SignalExpress  출시와 함께 내쇼날인스트루먼트는 더 이상 프로그래밍이 필요하지 않은 설정 기반 소프트웨어 환경을 도입하였습니다. NI LabVIEW SignalExpress를 사용하면 NI Express 기술로 인터랙티브 측정을 수행할 수 있습니다.

또한 모든 제품은 특별 기능을 갖춘 애드온 툴킷으로 성능이 증대됩니다.

 

관련 NI 제품

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