如何更好地进行数据采集

如何更好地进行数据采集

工程师经常需要进行数据采集来验证产品的性能和指标，或者对一些特定的应用进行监测和控制，以便确定其物理参数，例如温度、应力、压力和流量。在设计产品时，工程师需要进行各种测量以确保其产品能够达到预期的技术指标。例如在电源表征应用中，工程师可能会测量不同负载条件下的电源输出。在所有负载条件下，电压输出都必须保持稳定，同时产品内部的温度变化也应保持最小。或者，在一家饮料制造厂中，化学工程师可能需要监测最终产品的液体流量。在液体流量达到最小或最大极限值时，则需对其进行调整。

　　在某些情况下，采集此类数据可能非常困难。有没有更好的办法来采集数据，并保证数据是有效的？本文介绍了几种数据采集应用，并将说明一些不同的工具如何帮助您采集和分析数据。

　　在本文中，我们将探讨这些应用的具体情况，并向您介绍通过选择适合的数据采集设备，将会为您的数据采集和分析带来哪些帮助。

　　选择测量设备

　　在数据采集过程中，许多测量都需要使用传感器将物理现象转换为电压、电阻或频率，再使用适当的测量设备（例如数字万用表）对这些电信号进行测量。 

　　温度测量是数据采集中最常进行的物理测量之一，它可以通过使用热电偶、RTD（电阻式温度探测器）或热敏电阻传感器来实现。热电偶是一个由两种不同金属构成的接点，而该接点在受热时会产生电压。将该电压与一个参考接点进行比较，用两者的差值来确定相关的温度。RTD 和热敏电阻是以电阻为基础制成的传感器。随温度的变化，传感器的输出电阻将出现相应的改变。您应当根据测量的类型以及应用所需的精度和线性度选择合适的传感器。

　　几乎所有的万用表都可以测量传感器产生的电压或电阻，但并非所有的万用表都可以将电压或电阻转换为物理测量值显示。例如，如果您使用热电偶进行温度测量，就需要一个具有自动转换程序的万用表。使用这些内置的转换程序，可以将原始的热电偶测量结果从电压值转换为温度值。

　　因此在进行物理测量时，例如上述的电源表征应用，必须选择一个具有自动转换程序的仪器。与此同时，如果您希望进一步地简化数据采集和分析过程，请选择具有下列特性的数据采集设备：
• 支持数学方程， 如Mx + B，可以方便地转换其他的传感器输出
• 在信号的测量结果超过预定限制阈值时能够触发硬件报警
• 包含前端多路复用器，可以将多个测量点或传感器连接到一个测量仪器
• 包含能够帮助进行数据采集和分析的软件

　　使用软件工具采集并分析数据

　　软件工具也可以让数据采集和分析变得更简单。一般来说，软件工具可以简化仪器的连接，同时无需任何编程即可进行数据采集和分析。Microsoft ®- Excel 是一种最常见的数据分析工具 。大多数的 PC 中都装有 Microsoft excel，它的使用非常广泛。作为一款功能强大的电子表格应用软件，它支持插入公式，并包含许多内置的制图功能。部分厂商还提供了 Microsoft Excel 插件，以帮助设置和采集数据。这些产品充分利用微软的专业技术，可以将采集到的数据直接捕获到 Microsoft Excel 中。随后，用户使用微软内置的公式和绘图工具，对这些数据进行处理并绘制成图形。但该工具需要用户熟练掌握 Microsoft Excel 的公式和图形功能。

　　部分仪器厂商还提供了其他的应用软件，以扩展仪器的功能，使之更好地适用于特定任务。对于数据采集，这些软件产品可以简化仪器的连接，根据需要轻松定义不同的测量、限制阈值和动作。也可以预定或根据特定事件触发数据采集。诸如标度和数学公式等特性也可以让您更方便地对数据进行处理和分析。 

　　我们将通过一个简单的示例，来详细描述上述的电源表征应用。需要采集的数据包括温度、电压和数字测量结果。在所有负载条件下电压输出都必须保持稳定，同时产品内部的温度变化也应保持最小。 

　　我们使用仪器软件来采集和分析这些数据，并选定扫描中包含的独立通道，指定不同的测量功能、范围和分辨率值。  

　　图 1 中，通道 1001 至 1005 设置为测量电源中的不同电压，通道 1006 至 1010 设置为测量电源内部不同位置的温度变化。由于该仪器包含热电偶自动转换程序，因此我们无需额外进行转换。温度值直接显示为摄氏度值。通道 2001 至 2002 是数字通道，用于读取电源状态。

　　Res 列用于指定直流电压测量分辨率，并选择测量的温度标度（摄氏度、华氏度或开氏度）。标度功能（即 Mx + B）用于对每个通道上的读数应用增益和偏置，并可以用来定制线性转换。这在校准损耗、增益或偏置时十分有用。 

　　在每个通道上设置报警。每个测量结果都会与报警限制阈值进行比较。如果测量结果超出限制阈值，就会触发报警。通道 1001 至 1005 上设置了低电压/高电压报警阈值，以确保电压的稳定性。因此，如果电压输出超出限制阈值，则会触发硬件报警 1，开关闭合，并关闭电源。 

　　通道 1006 至 1010 上的报警设置用于控制电源内部的温度。如果内部温度过高，就会触发硬件报警 2，开关闭合，提高变速风扇的转速。如果温度降低，将会触发报警 3，再次降低变速风扇的转速。

　　为进行进一步的分析，可以加入计算通道以进行基本的数学、功率公式或应力公式运算，例如加、乘、除、平方根、dBM、全桥和半桥。

　　图 1 使用标准软件工具采集和分析数据

　　一旦完成对这些通道的配置后，即可预定扫描，在特定时间采集数据。

　　该软件包会伴随仪器免费提供。此外还有一些更高级的软件包，可以提供更多的控制功能，并允许用户设定限制阈值，指定在超出限制阈值时将会执行的动作。这些软件包还可以使用通用 SCPI 命令控制其他仪器。图 2 显示了某个应用的数据采集结果，其中一个扫描列表用于监测电炉（oven）温度，一旦温度趋于稳定，将发送一个 SCPI 命令来改变电源输出，继而开始新的扫描，并采集新的数据。

　　图 2 绘制多个扫描列表（包含极限值和动作脚本）的图形

　　使用以太网进行远程数据采集

　　许多新型仪器都具有以太网接口，使您可以通过网络轻松访问测试设备。测试与测量行业中的多家领先制造商和用户联合开发了一个全新的 LXI（仪器在局域网中的扩展）行业标准。该标准以经过验证的以太网标准为基础，对仪器的交互操作做出了规定。因此，不同厂商所生产的 LXI 仪器都会具有类似的实现模式。LXI 标准的主要方面包括：

　　• 通信和连接方案的以太网标准
• 定义了编程驱动程序、接口发现和接口安全规则的接口标准
• 从 Web 浏览器访问数据的仪器 Web 服务器要求
• 时间同步的触发标准
• 物理规格标准，包括尺寸、功率、散热和 LED 指示器等

　　将设备部署在测量位置

　　在数据采集应用中，使用 LXI 仪器可以将测试设备轻松部署在测量位置。对于本文前面提到的负责监控饮料生产流程的工程师来说，需要将测量设备部署在整个生产车间的多个不同位置。连接到网络之后，测量设备可以轻松采集测量数据并通过网络发送到中心电脑：无需使用 GPIB/LAN 转换器，也无需布置很长的电缆连接到测量位置。物理布线长度的缩短，可以减少噪声对测量的干扰，降低总体成本。

　　通过标准的 Web 浏览器访问设备

　　LXI 仪器的另一个特性就是能够通过标准的 Web 浏览器进行访问。LXI 仪器中装有一个 Web 服务器端程序，用户可以通过它访问和控制该仪器，无需再安装任何特殊的软件。

　　通过仪器的 Web 服务器端程序，您可以打开 Web 浏览器，输入仪器连接网络的 IP 地址或主机名，便可通过 Web 浏览器直接访问该仪器。

　　LXI 标准定义了对网页内容的最低要求。某些仪器只具备基本的功能和简单的仪器信息浏览界面，只能用于监测；而另一些仪器则具有功能齐全的图形 Web 界面，用户可以通过该界面全面地访问和控制这些仪器。

　　对于在饮料工厂中负责监控生产流程的工程师，他们可以使用 LXI Web 界面来监控在不同位置测量得到的结果。或者，借助具有全部测量和控制功能、符合 LXI 标准的仪器，工程师还能够通过图形 Web 界面设置和执行测量。图 3 显示了如何使用标准 Web 浏览器在开关配置窗口设置和执行温度测量。

　　由于 LXI 仪器直接支持温度传感器并具有内部补偿功能，因此传感器转换可以在仪器内部完成。温度测量结果将直接在工程单元中显示。使用图形视图，可以极大幅度地简化测量的设置和执行，不需要使用仪器前面板。

　　图 3：通过 Web 浏览器配置、执行测量或只是监视测量结果
总结

　　综上所述，数据采集和分析在某些情况下会很困难。使用适当的测量硬件和软件工具可以简化这项工作，并提高采集数据的效用。 
• 使用具有自动转换程序、数学运算功能、告警和多通道输入等特性的仪器，可以轻松进行数据采集和解读。
• 使用软件工具，可以更轻松地实现数据设置、执行和分析。 
• 使用符合 LXI 标准的仪器，可以获得更多优势：通过嵌入式图形 Web 界面，远程访问和控制测量，轻松地进行测试设置、执行测试和故障诊断。

　　Microsoft是微软公司在美国的注册商标。