泛用型数据记录软件的开发原理与实际应用

　　引言
　　消费者在采用新产品前的评估，不外乎两个关键因素：1. 这个产品对我是必需的吗? 2. 产品的使用是否容易上手? 硬件制造商目前在市场上随处可见，如果能提供更多人性化的软件，贴近与结合硬件制造产业，则能有效提高产品易用性与降低学习曲线，进而带给使用者更完整的解决方案与完善的产品服务。
　　新一代数据采集软硬件解决方案
　　如何帮助使用者更容易了解与使用高性能的数据采集卡，是各家产品供货商的责任，以凌华科技为例，凌华提供可实时使用(Ready-to-Run)的泛用型数据记录软件：AD-Logger，帮助使用者只要在 30 秒内就可通过凌华数据采集卡取得数据而不需要撰写任何程序，带给用户极大的便利性。另一方面，通过 AD-Logger 的功能展示，用户也可以体验到凌华科技新一代软件开发工具包DAQPilot的强大功能，让用户不再需要了解繁复的硬件配置，只需借助开发工具包所提供的组态设定精灵，逐步地完成数据采集功能组态的定义，有效降低学习曲线。
　　泛用型数据记录软件
　　AD-Logger泛用型数据记录软件针对全系列凌华科技数据采集卡所提供的模拟输入，数字输入功能，提供实时数据采集、记录与分析的解决方案。不需编写任何程序，用户使用 AD-Logger 只需要四个步骤，即可完成数据采集与记录，且能提供长期数据监测与示警功能，或将数据导出到相关分析软件作后续数学函数分析，满足业界多元化使用开发的需求。再者，结合多样化的高性能机箱与控制器，与AD-Logger软件可进一步构建出完整的数据记录系统，协助学生与研究人员通过客制分析函数进行多种研究。
　　什么是数据记录软件?
　　数据记录软件搭配使用传感器进行量测，将物理现象转换为如电压或电流的电子信号，并储存这些量测结果以用于相关的研究。常见的量测包含温度、压力、电流、电压、应变，与其它物理现象。一个标准的数据记录系统包含五个主要功能组成：1.传感器与数据采集模块硬件 2.实时检视分析 3.实时储存数据 4.实时监测数据5.历史资料检视与分析。AD-Logger 支持全系列凌华科技数据采集卡，提供交互式操作接口引导用户以四个步骤(如图 1)贯穿上述五大功能完成数据采集与记录：
　　STEP 1 : 设定硬件功能：使用凌华科技专属组态设定精灵，定义出所需采集功能组态。
　　STEP 2 : 设定检视条件：设定关联视图与记录条件，并设定数据监控的示警与启动/停止条件。
　　STEP 3 :执行在线分析：基于所设定的数据采集功能组态与检视记录条件，执行数据记录工作与显示数据并实时套用快速傅立叶变换 (FFT)作功率频谱分析结果。除进行监控与检视作业的功能，并同时间储存采集到的资料作后续分析处理，如图 2。
　　STEP 4: 脱机分析处理：除检视历史数据外，用户可将采集到的数据导出到相关分析软件做后续分析, 如Microsoft Excel, NI DIAdem, and MathWorks MATLAB。
　　
　　图1 通过AD-Logger四个步骤的引导完成数据采集、记录与分析
　　
　　图2 AD-Logger泛用型数据记录软件执行画面
　　以凌华科技PCI接口16位高分辨率模拟输入通道的多功能数据采集卡PCI-9221为例，若要搭配数据记录软件与 PCI-9221将采集到的数据导出到 NI LabVIEW 作后续分析，可参考图 3范例使用Read From Measurement File Express VI 加载采集到的数据，再搭配Spectral Measurements Express VI 即可进一步使用相关信号分析函数。如Magnitude (RMS) ，Magnitude (Peak) ， Power Spectrum与Power Spectral Density。同样的道里，用户也可以把数据导出到 MathWorks MATLAB 或 NI DAIdem作后续分析。

　　 

　　新一代资料采集软件开发工具包
　　以往当用户拿到数据采集卡安装完成后，需要了解相关软件函数的使用与理解细部参数的定义才能开发应用程序，而凌华科技新一代的软件开发工具包：DAQPilot 提供了强大的组态设定精灵引导使用者将所需执行的功能以一个 Task 的概念作为描述。程序设计开发将不再是以程序设计界面 (API) 为基础单元，而转变成思考如何使用该Task以完成对应的数据采集功能。无须了解复杂功能参数的使用方式，只需借助操作该组态描述文件以启动对应功能再进一步结合接口程序与分析函数的开发即可完成整个应用设计。该开发工具包包含了 API、ActiveX 组件，.NET Assembly 组件以及 LabVIEW Express VI 与 Polymorphic VI的支持，无论是Visual Studio，Borland C++ Builder，Delphi，或者是 NI LabVIEW/LabVIEW CVI 的使用者，都能以DAQPilot所提供的组态设定精灵快速与逐步完成硬件组态设定，进一步使用强大的SDK (软件开发工具包) 完成程序的设计与应用。用户不再需要了解数据采集卡片繁复的硬件参数，能将更多的时间放在特定领域的应用程序开发上。如图4，将数据采集应用程序开发分成两个阶段，
　　第一阶段先透过开发工具包所提供的组态设定精灵，交互式地定义出欲执行的功能组态描述文件；
　　第二阶段直接于开发的程序里加载该功能组态描述文件，即能轻松完成硬件功能设定，进一步完成客制化分析与显示功能。
　　
　　图4使用新一代开发软件开发工具包，两阶段完成数据采集软件开发
　　
　　图5组态设定精灵启始画面
　　放大图 4步骤一来说明，如图5，组态设定精灵提供五大类十九种功能细项供选择，协助使用者选定所要执行的功能类别，并在第二步骤主动列出提供该功能的数据采集卡，随着使用者的设定 ，在接下来的步骤动态展示对应的参数设定方块，如通道数目，采样频率，频率信息与触发条件等等。在精灵程序引导下完成前述所提数据采集应用程序开发第一阶段。让原本需要逐行编写程序才能设定的硬件功能，可通过此功能组态描述文件快速定义完成，程序设计者只要进行后续的数据显示、处理与分析程序的开发。图6与图7分别以 Visual C++与 Visual Basic 范例程序为例，使用DAQPilot API/ActiveX 组件，运用定义好的功能组态描述文件完成所有设定，完成连续模拟信号采集。若是运用到 Visual Studio .NET 以及 LabVIEW 应用程序开发也是同样的概念 ，如图8，只要加载预先定义好的功能组态描述文件即能通过 Express VI 完成硬件功能设定，进一步完成 LabVIEW 程序开发。另外，使用者也可以使用该描述文档作为与凌华科技的工程师沟通的有效工具。凌华科技新一代的软件开发工具包大幅提高从制作程序到部署高性能量测应用程序之间的速度。内附的组态设定精灵，帮助使用者设定、测试，以及采集量测数据。且由于完全以菜单操作，使用者可以减少所犯的组态设定的错误，加速开发流程。
　　
　　图6 在Visual Basic以组态设定精灵取代传统属性页
　　
　　图7 在Visual C++ 以操作 Task 组态描述档完成程序设计
　　
　　图8 使用 Express VI在LabVIEW加载预先定义好的功能组态描述文件以完成硬件功能设定
　　数据记录 (Data Logger) 与数据流 (Data Streaming) 的不同
　　Data Logger通常是指需长时间记录与较低取样率的应用如温度、压力或震动监测，而Data Streaming通常需要快速且可靠的把大量数据记录到储存装置，如 IF/RF/IQ信号分析。对应用程序开发者来说，大量且实时地高速纪录数据一直是一项极大的挑战，而为确保数据记录过程不会有任何遗失，必须衡量三个部份的带宽条件：
　　1. 数据采集所需带宽 (Bandwidth of Module)
　　2. 总线传输的带宽 (Bandwidth of Bus)
　　3. 数据写入硬盘速度 (Bandwidth of Hard Drive)
　　以高速图像检测为例，随着图像感测技术的进步，高像素及高画面更新率的图像传感器不断地推出，市面上许多产品对于图像数据输出及高像素频率支持明显不足，凌华科技PCIe-7350高速数字输出入系列模块能提供较高的频率及数据输出量，其内部采样频率速度可达50 MHz，外部频率最高可达100 MHz，数据传输量可达200 MB/s，极适用于大量且并行高速数字数据交换的应用，如图像传感器测试、大尺寸打印机、绘图机输出、IC测试、数字波形采集及播放等。
　　而以总线平台的演变来说，早期最广受欢迎的是GPIB接口，也就是IEEE488接口。然而GPIB接口的速度慢，且当使用多项设备时，需要额外的电路来达到同步触发的需求。1980年代，VXI 的出现，带进了模块化的领域，然而VXI的价格则并非各等级的饿客户都负担的起。PXI延续模块化的精神，以更可靠的机构设计、较快的总线速度，提供量测与测试设备一个新的选择。
　　直到 2004 年 PCI Express 与 PXI Express 标准的诞生，PCI Express 标准提供 1 倍、4倍、8 倍，与 16 倍的链接，提供每通道 (Lane) 250 MB/s 输出率。因PCIe-7350采用PCI Express? x1接口，250 MB/s 的输出率可满足 PCIe-7350 数据传输带宽，有效解决应用程序因高采样率所带来的带宽需求，而不需妥协于较差的采样率或较短的测试时间。进一步整合RAID磁盘阵列功能，通过 AD-Logger 可实时传输记录数据至计算机内存以利后续作业。
　　数据记录系统的应用
　　数据记录系统相关应用领域如高性能微波测速系统 、汽车悬挂系统自动检测、电力录波器、震动与声音检测、结构安全监控、行车数据记录器的研发或温度与压力记录等等应用。汽车自动检测设备的功能很多，如发动机点火信号检测、各缸工作平衡性检测、电平电压检测、平衡(悬挂)系统检测、排气检测等，这些检测过程大都要用到数据采集与记录分析。当汽车载重时，悬挂系统会把重量平均分布到四轮上。对悬挂系统的检测就是在汽车加载时，利用传感器测得悬挂系统不同位置的位移信号，通过对不同部位位移信号进行比较，对悬挂系统的性能加以判断。
　　针对此应用，以凌华科技PCI-9221多功能采集卡实际对汽车悬挂系统进行测试，利用起重机将重物逐渐加载到汽车上，在四轮部分放置四个位移传感器，以测得不同位置的位移值。凌华科技PCI-9221多功能采集卡具有模拟信号输入、数字信号输入和数字信号输出等功能，利用数字信号输出功能控制外部起重机加载/卸除重物，用模拟信号输入功能测量位移传感器的输出信号，并加以分析、判断。
　　电力系统故障录波器也就是俗称的黑匣子，是用来记录传输电过程中的波形，供事后分析故障产生的原因及故障定位。目前电力系统对故障录波器的要求越来越高，特别是采样的频率。为了分析到高频率谐波，最少需要在一个周波内 (20ms) 采集1000点到2000点，即采样频率要求单通道5kHz到10kHz。一个典型的录波系统须至少采样32 通道，借助凌华科技PCI-9223 提供的16位高分辨率与32个模拟输入通道的多功能数据采集功能，其采样频率最高可达 500kS/s可满足此应用需求。若需要 64通道产品也可选用 DAQ-2205，两者皆可搭配 AD-Logger 作长期监测与记录追踪。
　　另外，像自动录音系统大多须要同步信号撷取，主要应用是完成自动录音，并把声音信号存至硬盘在需要时回放。可利用凌华科技DAQ-2010的A/D完成四信道路信号同步取样，后续再利用DAQ-2010的D/A完成波形回放。
　　结论
　　2008 年VDC 市场研究组织针对全球数据采集产品，包含机箱模块与插卡式 I/O 产品的现状，作出研究报告，该组织预估 2012 年数据采集产品市场总产值将高达 2.595亿美元。据统计，市场集中在五大领域，包含军事航天、生产线、产品质量检测与科学教育应用。量测产品不仅需具有高质量的性能，并需具有足够的灵活性以满足各种测试需求，快速地整合软件解决方案才能更有效地推动产业的提升与发展。凌华科技长期深耕量测产品，从发表亚洲第一块PCI接口数据采集卡开发厂商以来，近几年陆续推出速度达 200 MB/s的高速数字输出入系列模块，分辨率达24 位与采样率达 130 MB/s 的多功能数据采集卡，产品质量一直深获信赖。作为量测产品领导厂商，凌华科技不仅提供高性能硬件，也持续研发更强大便利的软件开发工具，帮助客户快速开发更优质的产品。