۱-  مقدمه

ریزپردازنده‌ها، ریزکنترل‌کننده‌ها، رایانه‌های تک‌برد و رایانه‌های شخصی، امروزه به طور گسترده در سیستم‌های اندازه‌گیری استفاده می‌شود و برای مهندسین، فهمیدن چگونگی بدست آوردن مستقیم اطلاعات آنالوگ و اطلاعات از محیط اطراف با این وسایل، به طور فزاینده‌ای اهمیت یافته است. برای نمونه، سیگنال‌ خروجی یک حسگر را به صورت سیگنال آنالوگی که در شکل‌ (1) نشان داده شده است در نظر بگیرید. سیگنال را با وسیله‌ی آنالوگی مانند ثبت‌کننده‌ی نمودار، که به صورت فیزیکی سیگنال را روی کاغذ ترسیم می‌نماید، یا با نمایش آن توسط نوسان‌نما (اسیلوسکوپ)، می‌توان ثبت نمود. گزینه‌ی دیگر این است که اطلاعات توسط ریزپردازنده یا رایانه ذخیره شود. این فرایند را جمع‌آوری داده یا داده‌برداری (Data Acquisition) به صورت رایانه‌ای می‌نامند.

برای دادن اطلاعات یا داده‌ی آنالوگ‌ (قیاسی) به مدار دیجیتال‌ (رقمی) یا ریزپردازنده، ابتدا لازم است که داده‌های آنالوگ به مقادیر دیجیتال سازگار با پردازنده‌ی دیجیتالی تبدیل شود. مرحله‌ی اول، ارزیابی عددی سیگنال، در لحظاتی جداگانه از زمان می‌باشد. این فرایند را نمونه‌برداری (Sampling) گویند و نتیجه‌ی آن چنانکه در شکل‌ (1) نشان داده شده، سیگنال دیجیتال شده است که ترکیبی از مقادیر گسسته‌ی مطابق با هر نمونه می‌باشد. بنابراین سیگنال دیجیتالی‌شده ترتیبی از اعداد است که تقریبی برای سیگنال آنالوگ می‌باشد.

۲- مختصری در مورد نرم افزار LABVIEW

لب‌ویو (LabVIEW) کوتاه‌شده‌ی عبارت Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench می‌باشد و یک محیط برنامه‌نویسی است که به کمک آن می‌توان برنامه‌ی مورد نظر را به صورت گرافیکی ارائه نمود. این بسته‌ی نرم‌افزاری، برنامه‌ای پیشرفته و قابل اجرا برای استفاده‌ی محققان، مهندسان و کارشناسانی است که طراحی و برنامه‌نویسی سیستم‌ها را بر عهده دارند. این نرم‌افزار به گونه‌ای طراحی شده است که قابلیت اندازه‌گیری، تجزیه و تحلیل داده‌ها و نمایش نتایج را یکجا و با هم برای کاربر به همراه دارد. همچنین، به دلیل اینکه این بسته‌ی نرم‌افزاری قابلیت برقراری ارتباط گرافیکی چندجانبه با کاربر را داراست، برنامه‌نویسی در این محیط بسیار ساده است.

نمونه پروژه‌های ما: طراحی و توسعه نرم‌افزارهای اندازه‌گیری و داده‌برداری با لب‌ویو (LabVIEW)

بدلیل اینکه برنامه‌ی نوشته شده در این محیط بر پایه‌ی نرم‌افزار استوار است، می‌توان از قابلیت‌های نرم‌افزاری آن استفاده نمود. به همین دلیل نسبت به تجهیزات استاندارد و آزمایشگاهی از قابلیت انعطاف و کاربرد بیشتری برخوردار است. با کمک LabVIEW می‌توان دقیقاً تجهیزات اندازه‌گیری مورد نیاز خود را به صورت مجازی ایجاد کرد، که از لحاظ هزینه، به صرفه می‌باشد. در صورتیکه به تجهیزات اندازه‌گیری دیگری نیاز باشد، به کمک این نرم‌افزار می‌توان در عرض چند دقیقه برنامه‌ها را تغییر داد و آن را اصلاح نمود، که این سبب صرفه‌جویی در وقت می‌گردد.

در نرم‌افزار LabVIEW کتابخانه‌هایی شامل ابزارهای جانبی جهت جمع‌آوری داده‌ها، استفاده از کارت‌های GPIB و درگاه سریال، تجزیه و تحلیل، نمایش و ذخیره‌ی داده‌هاست.

به دلیل وجود قابلیت گرافیکی در نرم‌افزار LabVIEW، طبیعتاً از این برنامه جهت نمایش داده‌ها نیز استفاده می‌شود. در این نرم‌افزار، خروجی‌ها به اشکال مختلف بر روی صفحه به نمایش در می‌آیند.

به طور خلاصه می‌توان گفت که برنامه‌ی LabVIEW یک نرم‌افزار قابل انعطاف و کاربردی جهت شبیه‌سازی تجهیزات و ابزار آزمایشگاهی و اندازه‌گیری است. این نرم‌افزار هچنین قابلیت تجزیه و تحلیل داده‌ها و نتایج بدست‌آمده را داراست. جهت ایجاد برنامه در این نرم‌افزار، از زبان برنامه‌نویسی گرافیکی موسوم به «G» استفاده می‌شود. برنامه‌ی نوشته شده در محیط LabVIEW را در اصطلاح «ابزار مجازی» ‌ (Visual Instrumentation) یا به صورت خلاصه VI می‌گویند.

۳-  برقراری ارتباط بین رایانه و دنیای خارج

علت اصلی استفاده از نرم‌افزار LabVIEW، قابلیت جمع‌آوری 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 Board) و GPIB و غیره می‌توان رایانه را به یک سیستم اندازه‌گیری مجازی تبدیل نمود.

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.

بخوانید: مروری بر تست جامع موتورهای جت / نقش فناوری‌های پیشرفته اندازه‌گیری و داده‌برداری در آزمایش موتورهای هوایی

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 جمع‌آوری داده و یا تولید سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال استفاده نمود.

به کمک این کارت‌ها و نرم‌افزار 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 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.

۳-۱- جمع‌آوری 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. زیر سیستم اصلی یک سیستم داده‌برداری عبارت‌اند از: تراگردان‌ یا ترانسدیوسر (مبدل)، مدارهای آمایش یا تطبیق سیگنال (Signal Conditioning)، تافتگر یا مالتی‌پلسکر (Multiplexer)، مدار نمونه‌بردار و نگهدار، و مبدل A/D ‌(آنالوگ به دیجیتال).

در شکل زیر اجزای یک سیستم داده‌برداری نشان داده شده است.

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 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. نمونه‌های دیگری از تراگردان‌ها 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 مذکور، سیگنال الکتریکی ایجاد شده توسط مبدل با کمیت فیزیکی مورد نظر متناظر است.

خدمات ما: توسعه نرم‌افزارهای اندازه‌گیری و مانیتورینگ با لب‌ویو (LabVIEW)

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 چند نمونه‌ از کارت‌های داده‌بردار نشان داده شده است.

واحد‌های آمایش‌ (تطبیق) سیگنال ‌(Signal Conditioning Modules) سیگنال‌های تولید شده توسط حسگرها و 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.

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 مورد بحث از نوع دیجیتال‌ بوده و سطح ولتاژ آن نیز پایین باشد. در هنگام استفاده از این واحد‌ها باید مراقب 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.

بخوانید: عدم قطعیت اندازه‌گیری در تست‌های تجهیزات دوار و توربوماشین‌ها: چالش‌ها، روش‌ها و استانداردها

همانگونه که اشاره شد، استفاده از واحد‌های آمایش به مواردی همچون شرایط، نوع سیگنال و طح 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 بقراری ارتباط مذکور در بیشتر موارد، استفاده از واحد آمایش الزامی است. نوع این واحد نیز به نوع حسگر و سطح سیگنال‌ 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 (6) یک نمونه از سیستم داده‌برداری نشان داده شده است. در شکل‌ (7) نیز یک نمونه‌ی دیگر سیستم داده‌برداری، که قابل حمل می‌باشد، نشان داده شده است.

۳-۲- سیستم GPIB

شرکت Hewlet Packard در اواخر دهه‌ی 60 میلادی برای تسهیل در امر برقرای ارتباط بین رایانه و ابزار و تجهیزات آزمایشگاهی، «سیستم خطوط ارتباطی همه‌منظوره» یا GPIB را تأسیس نمود. سیستم خطوط ارتباطی همه‌منظوره بین رایانه و ابزار و تجهیزات آزمایشگاهی ارتباط برقرار می‌سازد. هدف اصلی از به کارگیری سیستم GPIB، استفاده از رایانه به همراه تجهیزات آزمایشگاهی جهت پردازش داده‌هاست. کاربرد این سیستم از موارد مذکور فراتر رفته و در ارتباط دو رایانه با یکدیگر و همچنین برقراری ارتباط بین رایانه و مولتی‌متر‌ (چند سنجه)، اسکنر، نوسان‌نما و غیره نیز به کار برده می‌شود. در شکل زیر شیوه‌ی ارتباط بین تجهیزات آزمایشگاهی و اندازه‌گیری با رایانه از طریق کارت GPIB نشان داده شده است.

۳-۳- برقراری ارتباط از راه درگاه‌های سریال

برقراری ارتباط از راه درگاه‌های سریال روشی مأنوس، قابل درک، عامه‌پسند برای انتقال داده‌ها بین دو رایانه یا بین یک رایانه و یک ابزار قابل برنامه‌ریزی است. در این روش برای برقراری ارتباط، از درگاه سریال رایانه کمک گرفته می‌شود. از این روش در مواردی استفاده می‌شود که نرخ ارسال داده‌ها پایین بوده یا اینکه لازم است داده‌ها به فواصل دور انتقال یابند. سرعت انتقال اطلاعات در این روش پایین‌تر از سیستم GPIB بوده همچنین ضریب اطمینان این روش نسبت به GPIB کمتر است. تنها مزیت روش ارتباط سریال نسبت به سیستم GPIB عدم نیاز به استفاده از کارت‌های ارتباطی می‌باشد. به دلیل اینکه در بیشتر رایانه‌ها یک یا دو درگاه سریال تعبیه شده است، روش ارتباط سریال کاملاً در دسترس است و می‌توان بدون خرید تجهیزات و کارت‌های ارتباط‌دهنده‌ی ویژه مانند کارت‌های داده‌بردار و GPIB به تبادل داده‌ها پرداخت.

در نرم‌افزار LabVIEW توابع و دستورات ویژه‌ای برای به کارگیری درگاه‌های سریال تعبیه شده است.

۳-۴- مختصری در مورد VXI

باس VXI مخفف عبارت VMEbus extensions instrumentation است. VXI یک باس بسیار مفید برای استفاده در سیستم‌های اندازه‌گیری است. این باس شامل یک جعبه‌ی اصلی (Main Frame) است که حاوی شکاف‌هایی برای قرار گرفتن ابزارهای مدولار‌ (پیمانه‌ای) بر روی کارت‌هاست.

دلیل عامه‌پسند بودن این باس، امکان به کارگیری آن به عنوان یک سیستم‌‌عامل جهت جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها در موارد تحقیقاتی و اتوماسیون صنعتی است. بسیاری از کاربان باس VXI را از طریق کارت‌های داده‌بردار و GPIB با سیستم‌های دیگر تلفیق نموده، از این مجموعه جهت مقاصد ویژه و کاربردی خود استفاده می‌کنند.

به دلیل اینکه در باس VXI، یک محیط اندازه‌گیری پیچیده با رایانه‌های نوین امروزی تلفیق شده است، تجهیزات استفاده شده در این باس به دلیل استفاده از بهترین فنون به کار برده شده در کارت‌های داده‌بردار و GPIB از قابلیت برقراری ارتباط در سرعت‌های بسیار بالا برخوردار است.

۴- ترانسدیوسر یا تراگردان‌ (مبدل)    

در صورت استفاده از یک سیستم داده‌بردار باید به خاطر داشت که کمیت اندازه‌گیری شده در نهایت باید به سیگنال ولتاژ تبدیل شود. برای تبدیل کمیت فیزیکی مورد بحث نظیر دما، نیرو، صوت، شدت نیرو و غیره به یک سیگنال الکتریکی، از تراگردان‌ یا مبدل استفاده می‌شود.

۴-۱- تعریف تراگردان

در حالت کلی، تراگردان یا ترانسدیوسر (Transducer) هر وسیله‌ای است که نوعی از انرژی را به نوعی دیگر تبدیل می‌‌کند. اما در کاربردهای خاص، واژه‌ی تراگردان به وسایل نسبتاً خاصی گفته می‌شود. اغلب آن‌ها یا انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند و یا کمیت فیزیکی غیر الکتریکی مانند دما، صوت یا نور را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند.

وظایف یک تراگردان عبارت است از: 1) حس کردن وجود، بزرگی، تغییرات و فرکانس مشخصه‌ی مورد اندازه‌گیری و 2) فراهم آوردن یک خروجی الکتریکی که داده‌های کمّی و صحیحی درباره‌ی مشخصه‌ی مورد اندازه‌گیری تدارک می‌بیند.

۴-۲-  دسته‌بندی تراگردان‌ها

شاید بهترین راه دسته‌بندی تراگردان، مبتنی بر اصل الکترونیکی به کار گرفته شده در طرز کار آن‌ها باشد. تراگردان را می‌توان طبق کاربردشان که اساساً مبتنی بر کمیت، خاصیت یا شرط فیزیکی مورد اندازه‌گیری می-باشد، نیز دسته‌بندی کرد. در جدول زیر تعدادی از تراگردان‌های عمومی نام برده شده است. این مبدل‌ها برای تبدیل کمیت فیزیکی به کمیت‌های قابل اندازه‌گیری یا سیگنال‌های قابل درک برای رایانه به کار می‌روند.

۵- آمایش سیگنال

در طراحی تراگردان‌ها آنچه بیشتر مورد ملاحظه قرار می‌گیرد، شناخت مواردی است که به نحوی بر اثر تغییر کمیت‌های فیزیکی‌ای که باید حفظ شوند تغییر کند. بنابراین معمولاً دامنه و خطی بودن سیگنال خروجی تراگردان، که در سیستم‌های داده‌برداری مورد توجه ویژه هستند، در طراحی تراگردان‌ها اولویت ندارند. به همین دلیل معمولاً استفاده از آمایش سیگنال برای افزایش دامنه و بهبود خاصیت خطی بودن، در سیستم‌های داده‌برداری ضروری و اجتناب‌ناپذیر است.

به عبارتی دیگر، در زمانی که سیگنال اندازه‌گیری شده‌ی مورد بحث در راه رسیدن به کارت داده‌بردار می‌باشد ممکن است تحت تأثیر اختلال یا نویز ‌ (Noise) یا عوامل دیگر، به یک نمونه‌ی بی‌حاصل تبدیل شود. معمولاً در مورد سیگنال‌های آنالوگ که بیانگر پدیده‌های فیزیکی هستند، آمایش‌ (تطبیق دادن) سیگنال نیز انجام می‌شود.

سیگنال مورد بحث باید با وضوح کامل، بدون اختلال و با دقت کافی با ولتاژی معمولاً در حدود 5+ ولت یا 10-0 ولت و جریانی در حدود 20 میلی‌آمپر به کارت داده‌بردار وارد شود. همچنین برای به کارگیری یک تراگردان لازم است در مورد آن اطلاعاتی در اختیار داشته باشیم. به عنوان نمونه برای آمایش یک سیگنال صوتی با استفاده از یک میکروفن، شاید اتصال سیستم به زمین و یا استفاده از یک فیلتر‌ (صافی) پایین‌گذز کافی به نظر برسد؛ امّا اگر بخواهیم سطوح یونیزاسیون را در یک غشای پلاسما در سطح ولتاژ 800 ولت اندازه‌گیری کنیم و نخواهیم که رایانه‌ی خود را کباب کنیم! باید سیستم‌های آمایش پیچیده‌تری را به کار برد. در این سیتم معمولاً از تقویت‌کننده‌های ایزوله‌کننده به بهره‌ی پایین استفاده می‌شود. شرکت سازنده‌ی نرم‌افزار LabVIEW در مورد سیگنال‌هایی که نیاز به آمایش‌ (تطبیق) داشته یا برای سیستم‌هایی که دارای تعداد زیادی سیگنال هستند، اقدام به طراحی و ساخت سیستم‌های SCXI نموده است. یک سیستم SCXI شامل یک جعبه است که واحدهای پیمانه‌ای‌ (مدولار) در داخل آن نصب می‌شوند. این واحدها شامل تافتگرهای ‌ (تسهیم‌کننده‌های) ورودی آنالوگ، کارت‌های خروجی آنالوگ، واحدهای آمایش و ... می‌باشند. برخی شکل‌های عمومی در آمایش سیگنال عبارت‌اند از:

• تقویت کردن ‌(Amplification)
• خطی کردن ‌(Linearization)
• ایزوله کردن ‌(Isolation)
• فیلتر کردن (Filtering)
• بافر کردن (تعدیل کردن، میانگری) ‌ (Buffering)
• تبدیل کردن
• غیره

در شکل ‌ (10) چند تراگردان به همراه صورت‌های مختلف آمایش سیگنال نشان داده شده است.

۶- تافتگر

تافتگر یا مالتی‌پلسکر (Multiplexer) مداری الکترونیکی با چند سر سیم ورودی و یک سر سیم خروجی است. اگر تافتگر در یک سیستم داده‌برداری به کار رود، تنها یک مبدل A/D لازم است. برعکس، بدون تافتگر، برای هر ورودی آنالوگ یک مبدل لازم است. از آنجا که مبدل A/D اغلب گرانترین زیرسیستم یک سیستم داده‌برداری است، استفاده از تافتگر روی چند سیگنال آنالوگ ورودی و استفاده از یک مبدل A/D، صرفه‌جویی قابل توجهی را در پی خواهد داشت. در شکل زیر طرح‌واره‌ای از تافتگر آنالوگ نشان داده شده است.

۷- مدارهای نمونه‌بردار و نگهدار

مدارهای نمونه‌بردار و نگهدار، اساساً مدارهای حافظه‌ی ولتاژ هستند که ولتاژ ورودی را در یک خازن با کیفیت بالا ذخیره می‌کنند. کار یک مدار نمونه‌بردار و نگهدار، گرفتن یک نمونه‌ی کوتاه مدت، یا یک عکس لحظه‌ای از یک سیگنال ورودی با تغییرات سریع، و نگهداری آن نمونه برای تبدیل صحیح آنالوگ به دیجیتال است.

۸- روش برقراری ارتباط بین رایانه و دنیای خارج

صرفنظر از نوع فرایند و نحوه‌ی عملکرد برنامه، ابتدا باید روشی برای جمع‌آوری و ارسال داده‌ها به رایانه پیشنهاد کرد. برای گردآوری داده‌ها روش‌های زیادی وجود دارد، امّا بهترین و پرکاربردترین روش، به نوع داده-های جمع‌آوری شده و امکانات موجود بستگی دارد. قبل از اقدام به خرید سخت‌افزار لازم باید سعی کرد ابتدا سیگنال‌های مورد نظر را بررسی نموده، آن‌ها را تجزیه و تحلیل کرد. زیرا در برخی موارد نظیر جمع‌آوری داده از طریق درگاه‌های سریال ممکن است حتی تهیه‌ی سخت‌افزار اضافی الزامی نباشد.

در شکل‌ (12)، روش‌های مختلف جمع‌آوری داده‌ها و ارسال آن‌ها به رایانه را نشان می‌دهد. به میزان هزینه‌ی هر سیستم توجه کنید.

یکی از اولین مواردی که باید در هنگام انتخاب و طراحی سیستم جمع‌آوری داده‌ها یا داده‌برداری در نظر داشت آن است که آیا از یک وسیله‌ی اندازه‌گیری حقیقی متداول نظیر یک مولتی‌متر‌ (چندسنجه) استفاده می‌کنید و یا اینکه قصد دارید در محیط LabVIEW برنامه‌ای ایجاد کرده، سپس به کمک این نرم‌افزار یک ابزار اندازه-گیری را به صورت مجازی شبیه‌سازی نمایید و با به کارگیری کارت داده‌بردار و ... داده‌ها را جمع‌آوری کنید.

مواردی نظیر هزینه، زمان و قابلیت انعطاف سیستم اندازه‌گیری مورد استفاده نیز می‌تواند نقش اساسی در تصمصم‌گیری و انتخاب سیستم ایفا کند. به عنوان نمونه اگر قصد داشته باشید که مجموعه‌ای از داده‌هایی را که سطح ولتاژ پایین دارند قرائت کنید، می‌توانید از یک کارت ساده‌ی داده‌بردار استفاده نمایید. به طور کلی می‌توان گفت که هزینه‌ی تهیه‌ی یک کارت داده‌بردار بسیار پایین‌تر از یک ابزار اندازه‌گیری حقیقی است. از طرفی در مقایسه‌ی به کارگیری مولتی‌متر و برنامه‌ی ایجاد شده در محیط LabVIEW، در صورت دسترسی به سیستم ارتباطی GPIB، اندازه‌گیری و قرائت داده‌ها و سپس ارسال آن‌ها توسط باس GPIB بسیار ارزان‌تر و مقرون به صرفه‌تر از به کارگیری مولتی‌متر است.

عامل مهم و اساسی دیگری که ممکن است در تصمیم‌گیری در اندازه‌گیری‌ها تأثیرگذار باشد، دسترسی آسان به یک راه‌انداز ابزار اندازه‌گیری ‌ (Instrument Driver) است. بنا به تعریف کلی، یک «راه‌انداز ابزار اندازه‌گیری» معمولاً شامل تعدادی زیربرنامه است که هریک فرمانی مشخص و یا دسته‌ای از فرمان‌ها را به ابزار اندازه‌گیری ارسال می‌کند. این زیربرنامه‌ها همگی شامل کدهای سطح پایین هستند و کاربر به راحتی و با سرعت می‌تواند با به کارگیری آن‌ها یک برنامه‌ی کامل ایجاد نماید. شرکت تولیدکننده‌ی نرم‌افزار LabVIEW، راه‌اندازهای بسیاری که همگی جهت برقراری ارتباط از GPIB، درگاه سریال یا سیستم VXI استفاده می‌کنند عرضع کرده است. در برخی موارد نیز تولیدکنندگان ابزارهای اندازه‌گیری، راه‌اندازهای خاصی را برای ابزار خود ارائه می‌دهند.

۹- نقش زمان در فرایند داده‌برداری

اگرچه ممکن است در نگاه اول، زمان انجام نمونه‌برداری چندان مهم به نظر نرسد، امّا معمولاً بحرانی‌ترین و مهمترین پارامتر در بیشتر اندازه‌گیری‌ها، زمان نمونه‌برداری است. هر موردی را که بخواهید اندازه‌گیری یا مشاهده کنید به نوعی با زمان در اتباط است. به عنوان نمونهه چگونگی تغییرات دمای یک موتور نسبت به زمان.

همانند فرایندهای دیگر، زمان نیز عامل تعیین‌کننده و اساسی در عملیات داده‌برداری است. زمانبندی در تصمیم‌گیری و اتخاذ سیستم داده‌بردار به دو دلیل حائز اهمیت است: اول اینکه در مورد نرم‌افزار و غیره باید نرخ نمونه‌برداری را تعیین کرد، و دوم اینکه باید دانست که در مورد وظایف و اعمالی دیگری نظیر ورودی/خروجی فایل چه مدت زمانی را به پردازنده اختصاص داد.

۱۰- طبقه‌بندی سیگنال‌ها

یک سیگنال‌ به طور ساده یک کمیت فیزیکی است که می‌توان اطلاعاتی را اندازه و یا تغییرات آن نسبت به زمان یا برخی از متغیرهای دیگر بدست آورد. فرض کنید که می‌خواهید یک کمیت را اندازه‌گیری کنید. برای تطابق‌سازی سیگنال و یا برای اندازه‌گیری کمیت فیزیکی مورد اندازه‌گیری توسط یک کارت داده‌بردار، ابتدا باید کمیت مورد نظر را به یک سیگنال الکتریکی نظیر ولتاژ یا جریان تبدیل کرد.

برای تبدیل کمیت فیزیکی به یک سیگنال الکتریکی از تراگردان‌ (مبدل) استفاده می‌شود. به عنوان نمونه برای اندازه‌گیری دما باید به هر حال دما را به شکل ولتاژ درآورد (به طوری که برای کارت داده‌بردار قابل خواندن باشد). برای تبدیل فیزیکی دما به یک سیگنال الکتریکی چند مبدل گرمایی وجود دارد. این مبدل‌ها برای تبدیل مذکور برخی از خواص فیزیکی گرمایی را مورد استفاده قرار می‌دهند. پس از تبدیل کمیت فیزیکی به سیگنال‌ الکتریکی می‌توان سیگنال‌ها را اندازه‌گیری کرد و اطلاعات مفیدی نظیر وضعیت (State)، نرخ (Rate)، سطح (Level)، شکل (Shape) و مؤلفه‌های فرکانسی (Frequency Content) را از آن‌ها بدست آورد.

در شکل‌ (13) این مطلب نشان داده شده است.

در مبحث اندازه‌گیری سیگنال باید سیگنال مورد نظر را در یکی از پنج دسته‌ی تعریف شده طبقه‌بندی کرد. برای طبقه‌بندی سیگنال ابتدا باید آن را در یکی از دو گروه دیجیتال‌ یا آنالوگ‌ قرار داد. یک سیگنال دیجیتال تنها دو سطح مجاز دارد، یکی سطح بالا یا روشن و دیگری سطح پایین یا خاموش. سیگنال آنالوگ حاوی اطلاعاتی است که نسبت به زمان تغییر می‌کند.

در شکل زیر نحوه‌ی طبقه‌بندی سیگنال‌ها آمده است.

۱۱- فرضیه نایکوئیست

همانگونه که می‌دانید، سیگنال‌های تولید شده در دنیای طبیعی همگی به صورت آنالوگ هستند. برای پردازش و به نمایش درآوردن این سیگنال‌ها در رایانه باید آن‌ها را به سیگنال دیجیتال تبدیل کرد. بدین ترتیب، این سیگنال‌ها برای رایانه قابل درک خواهد بود. این کار را تبدیل آنالوگ به دیجیتال گویند که با A/D نشان داده می‌شود. در مرحله‌ی بعد، رایانه نقاط گسسته را مرتب می‌کند و شکلی شبیه به سیگنال اولیه در اختیار کاربر قرار می‌دهد.

در شکل زیر یک سیگنال آنالوگ و شکل گسسته‌ی آن به نمایش در آمده است. 

نرخ نمونه‌برداری ‌ (Sampling Rate) در یک سیستم بیانگر آن است که هر چند وقت یک بار تبدیل سیگنال‌ آنالوگ به دیجیتال روی می‌دهد. هر یک از خطوط عمودی در شکل بالا بیانگر یک تبدیل A/D است. اگر سیستم داده‌بردار در هر ثانیه دو مرتبه این تبدیل را انجام دهد، گوییم نرخ نمونه‌برداری 2 نمونه بر ثانیه یا 2 هرتز است. واضح است که نرخ نمونه‌برداری تأثیر به‌سزایی در شکل سیگنال دیجیتال دارد.

هنگامی که نرخ نمونه‌برداری به اندازه‌ی کافی بالا نباشد، پدیده‌ی خطای فرکانسی ‌ (Aliasing) رخ می-دهد. در شکل زیر اهمیت این موضوع نشان داده شده است. در شکل اول نرخ نمونه‌برداری مناسب است امّا در شکل دوم به دلیل انتخاب نرخ پایین نمونه‌برداری، پدیده‌ی خطای فرکانسی رخ داده است.

سؤال این است که برای پرهیز از بروز پدیده‌ی خطای فرکانسی، نرخ نمونه‌برداری چه اندازه باید انتخاب گردد؟

شخصی به نام نایکوئیست به این سؤال پاسخ داده است. فرضیه‌ای به نام فرضیه‌ی نایکوئیست وجود دارد که به صورت زیر بیان می‌گردد:

برای پرهیز از پدیده‌ی خطای فرکانسی، نرخ نمونه‌برداری باید بیش از دو برابر فرکانس‌ (بسامد) بیشینه در سیگنال مورد بحث انتخاب گردد». به عبارتی دیگر، برای نمایش درست سیگنال آنالوگ، نمونه‌های دیجیتالی می‌بایست با بسامد fs گرفته شود به صورتی که:

fs>2fmax

به عنوان نمونه با فرض اینکه بسامد بیشینه‌ی سیگنال مورد نظر برابر 1000 هرتز باشد، نرخ نمونه-برداری برای این سیگنال‌ (نشانک) باید بیش از 2000 هرتز باشد.

برای نمونه‌برداری در فرکانس‌های بسیار بالا، سیستم داده‌بردار از تعدادی فیلتر‌ (صافی) پایین‌گذز استفاده می‌نماید و امواج بالاتر از 250 هرتز را حذف می‌کند. در این حالت سیستم داده‌بردار به راحتی عمل می‌کند و به عنوان مثال، نمونه‌برداری را با بسامد 600 هرتز انجام می‌دهد ‌(600 بزرگتر از دوبرابر 250 است).

در سیگنال‌های DC نظیر فشار و دما، دقت در انتخاب نرخ نمونه‌برداری از اهمیت چندانی برخوردار نیست. ماهیت فیزیکی سیگنال‌های اشاره شده به گونه‌ای است که نمی‌تواند بیش از یک یا دو بار در ثانیه تغییر کند. در این موارد نرخ نمونه‌برداری با بسامد 10 هرتز انجام می‌شود. 

۱۲-  واژه‌نامه

آمایش سیگنال

به معنی اجرای هرگونه تغییراتت لازم در مورد سیگنال آنالوگ ورودی، قبل از اعمال آن به مبدل آنالوگ به دیجیتال ‌ (A/D) می‌باشد.

ابزار مجازی

برنامه‌ای که در محیط LabVIEW نوشته شده است. در این برنامه می‌توان نمای ظاهری ابزارهای اندازه‌گیری را به صورت مجازی شبیه‌سازی کرد.

ایزوله‌سازی (جداسازی)

یکی از روش‌های آمایش سیگنال که در آن، سیگنال‌های دریافتی از تراگردان‌ها به دلیل ایمنی بیشتر، از رایانه جدا می‌شوند.

پلاسما

ترکیبی از گازهای با ذرات باردار.

تافتگر

وسیله‌ای که یکی از چند ورودی را انتخاب و اطلاعات آن را به یک خروجی تنها کلیدزنی ‌ (سویچ) می‌کند.

تراگردان‌ (مبدل)

وسیله‌ای است که نوعی از انرژی را به نوعی دیگر تبدیل می‌‌کند.

ترموکوپل

یک زوج رسانای ناهمگون که طوری به یکدیگر متصل شده‌اند که هرگاه دو پیوند آن در دماهای متفاوت باشد، یک نیروی محرکه‌ی الکتریکی در نتیجه‌ی آثار ترموالکتریکی پدید می‌آید.

تقویت کردن

یکی از روش‌های آمایش سیگنال است که درجه‌ی وضوح و دقت سیگنال دیجیتال را افزایش و نویز را کاهش می‌دهد.

حسگر

وسیله‌ای که یک سیگنال ولتاژ یا جریان خروجی متناسب با کمیت فیزیکی مورد اندازه‌گیری ‌ (نظیر دما و صوت و ...) را تولید می‌کند.

خطی‌سازی

فرایند تصحیح سیگنال خروجی یک وسیله مانند یک تراگردان به منظور خطی‌ کردن تغییرات سیگنال خروجی نسبت به یک سیگنال ورودی.

فیلتر کردن

یکی از روش‌های آمایش سیگنال که به کاربر اجازه می‌دهد تا نویز ‌ (اختلال) و سیگنال‌های ناخواسته را از سیگنال مورد نظر حذف یا تضعیف کند.

کرنش‌سنج

یک المنت اندازه‌گیری برای تبدیل نیرو، فشار، کشش و ...، به سیگنال الکتریکی.

نمونه‌بردار و نگهدار

مداری که همراه با یک مبدل آنالوگ به دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرد تا یک سیگنال را بگیرد و نگاه دارد، تا بتوان آن را بوسیله‌ی مبدل آنالوگ به دیجیتال تبدیل کرد.

تبدیل A/D

تبدیل آنالوگ به دیجیتال.

مبدل ADC

مبدل سیگنال آنالوگ به دیجیتال. یک دستگاه الکترونیکی یا یک تراشه است که سیگنال‌های آنالوگ را به مقادیر عددی یا دیجیتال تبدیل می‌کند.

تبدیل D/A

تبدیل سیگنال دیجیتال به آنالوگ.

مبدل DAC

مبدل سیگنال انالوگ به دیجیتال. یک دستگاه الکترونیکی یا یک تراشه که مقادیر دیجیتال را به ولتاژ یا جریان آنالوگ متناظر با آن‌ها تبدیل می‌کند.

داده‌برداری (DAQ)

این عبارت به طور کلی برای جمع‌آوری داده‌ها ‌ (داده‌برداری) اطلاق می‌گردد و معمولاً همراه با مبدل A/D ‌ (آنالوگ به دیجیتال) به کار برده می‌شود. باید مراقب بود که DAQ با DAC اشتباه گرفته نشود. DAC مخفف عبارت Digital to Analog Conversion می‌باشد، همان D/A، و به مبدلی گفته می‌شود که سیگنال دیجیتال را به آنالوگ تبدیل می‌کند. معمولاً تراشه‌ای که برای انجام این تبدیل به کار می‌رود، DAC نامیده می‌شود. 

جریان مستقیم (DC)

مخفف Direct Current به معنای جریان مستقیم می‌باشد. این نوع سیگنال برخلاف AC به معنای جریان متناوب است. این عبارت در مواردی به کار برده می‌شود که سیگنال مورد نظر ثابت و فرکانس آن صفر باشد. در موارد دیگر نظیر بحث داده‌برداری، عبارت DC برای سیگنال‌هایی با فرکانس ‌ (بسامد) خیلی پایین ‌ (کمتر از یک ثانیه) نیز به کار می‌رود.

باس ارتباطی چندمنظوره (GPIB)

مخفف General Purpose Interface Bus به معنای باس ارتباطی چندمنظوره می‌باشد. این باس به صورت یک باس ارتباطی استاندارد جهانی برای ابزارها و دستگاه‌هایی که با رایانه در ارتباط هستند به کار می‌رود. این باس برای اولین بار در دهه‌ی 60 میلادی توسط شرکت Hewlet Packard جهت برقراری ارتباط بین ابزارهای اندازه‌گیری و رایانه ابداع گردید.

لب‌ویو (LabVIEW)

یک محیط برنامه‌نویسی گرافیکی که در آن به جای استفاده از دستورات متنی از آیکن‌های اجرایی استفاده می‌شود.
سیستم SCXI: مخفف Signal Conditioning eXtension for Instrumentation می‌باشد. این سیستم یک وسیله‌ی آمایش با قابلیت و کارایی بالاست که به صورت یک جعبه‌ی جداگانه موجود است.

باس VXI

این واژه مخفف VME eXtension for Instrumentation که VME خود مخفف Versa-Modular Encoder می‌باشد. VXI یک سیستم با قابلیت و کارایی بسیار بالاست که برای اندازه‌گیری و جمع‌آوری داده به کار می‌رود. جعبه‌ی VXI معمولاً حاوی یک کارت اصلی رایانه است. بنابراین استفاده از رایانه در این سیستم الزامی نیست.

مراجع

• قابوسی، فربد. راهنمای جامع LabVIEW. چاپ اول. تهران: نشر آفرنگ، 1382
• نداف اسکویی، علیرضا؛ قلی‌پور چناری، کیومرث؛ فرقانی اله‌آبادی، عباسعلی. مکاترونیک. چاپ اول. تهران: نشر سپاهان، 1386
• لاری دی، جونز؛ ای فاستر، چین. ابزارها و اندازه‌گیری الکترونیکی. ترجمه نایینی، محمدمهدی. چاپ اول. تهران: انتشارات دانشگاه شریف، 1382
• www.ese.upenn.edu
• www.bieneelectronics.com
• www.dataq.com
• www.entegra.co.uk
• www.geodetic.com.au
•  zone.ni.com