何謂資料擷取？

本教學文件將介紹電腦資料擷取系統的基本元件。

簡介

資料擷取包括從測量來源收集訊號，以及將訊號數位化，以便儲存、分析及呈現在個人電腦上。在選擇你的資料擷取(DAQ)系統時，您可以選擇許多不同的PC技術形態，有極大的彈性。科學家和工程師可以選擇PCI、PXI、CompactPCI、PCMCIA、USB、Firewire、平行埠，或序列埠，供測試、量測及自動化應用程式的資料擷取應用。在建立基本的DAQ系統時，有五項元件必須考慮（圖1）：

· 換能器和感測器
· 訊號
· 訊號處理
· DAQ硬體
· 驅動程式和應用程式軟體

圖1. 資料擷取系統

本文說明DAQ系統中的這五項元件，並簡介資料擷取概念。

換能器(Transducers)

資料擷取始於要被測量的物理現象，可能是房間的溫度、光源的強度、空間的壓力、應用在物體上的力量，或是其它許多現象。一個有效的DAQ系統可以測量這一切不同的現象。

換能器是將物理現象轉變成可測量之電子訊號（例如電壓或電流）的設備。DAQ系統測量不同現象的能力是由將物理現象轉換為可被DAQ硬體測量之訊號的換能器來決定。換能器相當於DAQ系統中的感測器。不同的應用環境有專用的換能器，例如測量溫度、壓力，或水流。圖2是常見的換能器，以及它們可以測量的現象。

 

現象	換能器
溫度	熱電偶 電阻式溫度感測器(Resistance temperature detector, RTD) 電熱調節器
光線	真空管 照片感測器
聲音	麥克風
力度和壓力	應變規 壓電轉換器(Piezoelectric transducer)
位置 （位移）(displacement)	電位計 線性差動變壓器(Linear voltage differential transformer, LVDT) 光學編碼器(Optical encoder)
液體流動	壓頭流量計(Head meter) 旋轉流量計(Rotational flowmeter)
pH	PH電極

 

圖2. 物理現象與現有的換能器

不同的換能器在將現象轉換為可測量訊號時，都有不同的要求。某些換能器需要電壓或電流激發。其它的換能器可能需要額外的元件，甚至是電阻網絡(resistive networks)，才能產生訊號。請參閱ni.com/sensors的內容，以取得更多關於換能器的資訊。

訊號

適當的換能器將物理現象轉變成可測量的訊號。但是，不同的訊號必須用不同的方式來測量。基於這個原因，我們必須了解不同類型的訊號，以及其相對應的屬性。訊號可以歸類為兩種：

 

· 類比

· 數位

類比訊號

類比訊號可以是任何與對比於時間的值。類比訊號的例子包括電壓、溫度、壓力、聲音，以及負載。類比訊號的三項主要特性是強度(level)、形狀，以及頻率（圖3）。

圖3.　類比訊號的主要特性

強度(Level)

由於類比訊號可以是任何值，因此強度提供關於所測得之類比訊號的重要資訊。光線的強度，房間的溫度，以及艙房內的壓力，都是說明訊號強度的重要性的例子。在測量訊號的強度時，通常訊號不會迅速隨著時間變動。但是測量的準確度非常重要。應該選擇可產生最大準確度的DAQ系統來協助測量類比訊號強度。

形狀(Shape)

有些訊號是以其特殊形狀來命名──正絃、方波、鋸齒，以及三角形。類比訊號的形狀可能和強度一樣重要，因為測量類比訊號的形狀可以進一步分析該訊號，包括波峰值、DC值，以及坡度。形狀佔有相當重要性的訊號通常會隨著時間快速變動，但是系統的準確度仍然很重要。心跳、影像訊號、聲音、震動，以及電路回應的分析，都是包括形狀測量的一些應用。

頻率(Frequency)

所有的類比訊號都可以用它們的頻率來分類。和訊號的形狀或強度不同的是，頻率不能直接進行測量。訊號必須使用軟體進行分析，才能判斷其頻率資訊。這種分析通常使用一種名叫「傅利葉變形」(Fourier Transform)的運算法來進行。

當頻率是最重要的資訊時，就必須同時考慮準確度和擷取速度。雖然為了擷取訊號頻率所需的擷取速度低於取得訊號形狀所需的速度，但是訊號仍然必須以足夠的速度擷取，才不至於在擷取類比訊號時失去重要資訊。確保獲致此速度的條件稱為奈奎斯特取樣定理(Nyquist Sampling Theorem)。語音分析、電信，以及地震分析，都是必須知道訊號頻率的應用範例。

數位訊號

數位訊號不能以時間為基準而賦與任何數值。數位訊號只有兩個可能值：高及低。數位訊號通常會符合一個特定的規格，該規格定義了訊號的特性。數位訊號常被稱為Transistor-to-Transistor Logic (TTL)。TTL規格指出，當強度落在0至0.8伏特之間時，數位訊號視為低；在2至5伏特之間則視為高。可以從數位訊號中測量而得的有用資訊包括狀態和速率（圖4）。

圖4.　數位訊號的主要特性

狀態(State)

數位訊號不會以相對於時間的方式以數值呈現。數位訊號的狀態基本上就是訊號的強度──有或無，高或低。監視開關的狀態──開或關──是常見的應用，即說明了知道數位訊號狀態的重要性。

速率(Rate)

數位訊號的速率決定數位訊號在時間內改變狀態的方式。測量數位訊號速率的範例之一就是判斷馬達轉軸的轉速。和頻率不同，數位訊號的速率測量的是取決於訊號的某一個部份發生的頻率有多常發生。不需要使用軟體運算法來判斷訊號的速率。

訊號處理

有時候換能器產生的訊號過於困難或太危險，以致於無法直接使用DAQ設備進行測量。舉例來說，在處理高壓電、雜訊環境、極高和極低訊號，或是同時量測訊號之時，訊號處理就是高效率DAQ系統的重要元件。訊號處理將系統的準確度提升到最大，允許感測器正確地運作，並且保證安全性。

選擇正確的硬體來進行訊號處理是非常重要的。訊號處理可以用模組化或整合形態來獲得（圖5）。訊號處理配件可以使用在多種應用場合，包括：

· 放大

· 衰減

· 隔離

· Bridge completion

· 同步取樣

· 感測器激發

· 多工

使用訊號處理時必須考慮的其它重要標準包括封裝（模組化或整合式）、效能、I/O數量、高級功能，以及價格。請使用ni.com/signalconditioning的線上工具，協助你尋找最適合的訊號處理產品。

圖5. 訊號處理的硬體選項

DAQ硬體

DAQ硬體是電腦和外界之間的介面。它的主要功能是將輸入的類比訊號數位化，使電腦能夠解讀這些訊號。其它的資料擷取功能包括：

·類比輸入／輸出
·數位輸入／輸出
·計數器／計時器
· 多重功能──將類比、數位和計數器運算結合在一部設備上。

National Instruments提供多種硬體平台，供資料擷取使用。最方便使用的平台是桌上型電腦。National Instruments提供PCI DAQ設備，可以插進任何桌上型電腦中。此外，NI也製造供PXI/CompactPCI使用的DAQ設備，這是一款更加堅固的模組化電腦平台，特別為測量及自動化應用而設計。至於分散式測量， National Instruments Compact FieldPoint平台提供模組化I/O、嵌入式運算，以及乙太網路通訊。在可攜式和手持式測量方面，為USB和PCMCIA設計的National Instruments DAQ設備可以配合膝上型電腦或PocketPC PDA使用（圖6）。

圖6. DAQ硬體選項

驅動程式和應用程式軟體

驅動程式軟體

軟體將PC和DAQ硬體轉變成完整的資料擷取、分析及呈現工具。若是沒有軟體來控制或驅動硬體，DAQ設備就無法正常運作。驅動程式軟體是讓你能夠輕易與硬體溝通的軟體層。它構成應用程式軟體和硬體之間的中間層。驅動程式軟體亦讓程式設計師不需要進行暫存器層級的程式設計或複雜的指令，就可以存取硬體功能。National Instruments提供兩種不同的軟體選項：

· NI-DAQmx驅動程式及其它的量測服務 軟體
· NI-DAQmx Base驅動程式軟體

隨著NI-DAQmx的推出，National Instruments使DAQ應用程式的開發展生革命性的變化，大幅提高從製作程式到佈署高效能量測應用程式之間的速度。NI-DAQmx內附的DAQ Assistant是一款圖形化互動式指引，幫助你設定、測試，以及擷取量測資料。只需按一下滑鼠鍵，你甚至可以根據組態設定來產生程式碼，使你更快速、更方便開發複雜的運算。由於DAQ Assistant完全以選單操作，因此你可以減少所犯的程式設計錯誤，大幅縮短從設定DAQ系統到開始進行測量之間的時間。

應用程式軟體

應用程式層可以是你用來製作客製應用程式、並且符合特定條件的開發環境，也可以是以組態為基礎、具有預先設計之功能的程式。應用程式軟體為驅動程式軟體增加分析及呈現的功能。要選擇正確的應用程式軟體，應先評估應用程式的複程度，是否能取得符合應用所需的組態式軟體，以及能夠用來開發應用程式的時間。如果應用程式很複雜，或是沒有現有的程式可用，則使用開發環境。

NI提供三種開發環境軟體產品，用於開發完整的儀控、擷取及控制應用程式：

· LabVIEW ，提供圖形化的程式設計方法
· LabWindows/CVI，供傳統C程式設計師使用
· Measurement Studio ，供Visual Basic、C++，以及.NET使用。

隨著LabVIEW SignalExpress的推出，NI推出一款以組態為基礎的軟體環境，不再需要程式設計。SignalExpress讓使用者能夠使用NI Express Technology進行互動式測量。

此外，所有的產品都能使用針對特殊功能而設計的附加工具組來加強其功能。National Instrument VI Logger是一款使用容易、但是功能非常強大的工具，特別針對資料記錄應用程式而設計。

相關的NI產品

對本主題感興趣的用戶也對以下的NI產品感興趣：

• LabVIEW
• 資料擷取(DAQ)
• 訊號處理