sổ tay cdt chuong 50-ghi dl

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 50-ghi DL

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-50-ghi-dl 1/15



Sổ tay Cơ điện tử

giấy. Vào cuối thế kỷ 19, người ta đã có thể bắt đầu tự động hóa quá trình này bằng máy móc, vàcác máy ghi biểu đồ dạng băng đã được ra đời. Máy ghi biểu đồ dạng băng là những thiết bị tươngtự có chức năng chuyển các xung điện từ cảm biến sang dạng chuyển động cơ khí của một cánhtay. Một chiếc bút được gắn với cánh tay và những cuộn giấy dài được chuyển động ở một tốc độkhông đổi bên dưới chiếc bút. Kết quả nhận được là một biểu đồ hiển thị các thông số được đotrong một khoảng thời gian nhất định trên giấy. Máy ghi biểu đồ dạng băng là một bước nhảy vĩ đại so với bản ghi bằng tay, tuy nhiên nó vẫn còn nhiều nhược điểm. Ví dụ, việc chuyển đổi các

đường vẽ trên giấy thành các thông số kỹ thuật là một việc làm buồn tẻ và các dữ liệu được ghi lạitốn rất nhiều giấy.

HÌNH 50.1Ứng dụng ghi dữ liệu dựa trên PC – trường hợp thử nghiệm hiệu suất của tủ lạnh

Cùng với sự phát triển của máy tính cá nhân trong các thập niên 1970 và 1980, người ta đã bắtđầu sử dụng máy tính phục vụ cho việc phân tích, lưu trữ dữ liệu và lập báo cáo. Nhu cầu đưa dữliệu vào PC mang lại một dạng thiết bị mới cho việc ghi dữ liệu, đó là bộ ghi dữ liệu. Bộ ghi dữ

liệu là một thiết bị dạng hộp đơn lẻ dùng để đo các tín hiệu và chuyển chúng sang dạng dữ liệu sốhóa, và lưu trữ dữ liệu bên trong. Dữ liệu này phải được truyền sang PC để phân tích, lưu trữ lâudài và lập báo cáo. Dữ liệu thông thường được truyền bằng cách chuyển thủ công một thiết bị lưutrữ như đĩa mềm từ bộ ghi dữ liệu đến máy tính hoặc bằng cách nối bộ ghi dữ liệu với PC thôngqua một số kết nối truyền thông, như nối tiếp hoặc mạng cục bộ.

Thập niên 1990 đã chứng kiến sự phát triển hơn nữa của việc ghi dữ liệu khi người ta bắt đầutạo ra những hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC. Những hệ thống này kết hợp khả năng thu thập vàolưu trữ của bộ ghi dữ liệu đơn lẻ với khả năng lưu trữ, phân tích, báo cáo và hiển thị của các PChiện đại. Những hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC cuối cùng cũng đã tự động hóa toàn bộ quá trìnhghi dữ liệu. Việc phát triển hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC được thúc đẩy bởi ba sự cải tiến côngnghệ sau:

1. Tăng độ tin cậy của PC2. Giảm đáng kể chi phí dung lượng ổ cứng của PC3. Phần cứng đo lường dựa trên PC có thể bằng hoặc vượt khả năng đo lường của các bộ

ghi dữ liệu đơn lẻ. Ngày nay, các hệ thống ghi dựa trên PC cung cấp các , khả năng phân tích và công cụ báo cáo

đa dạng nhất. Phần còn lại của chương này sẽ tập trung vào chức năng cần thiết để vận hành mộthệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC.2



Ghi dữ liệu

50.3 Các yêu cầu chức năng của việc ghi dữ liệu.Các ứng dụng ghi dữ liệu, ngay từ thế kỷ 15 khi các nhà sư ghi lại bằng cách thủ công các dạng

thời tiết cho đến thế kỷ 21 khi các nhà vật lý ghi lại các thông số thực nghiệm của một thí nghiệmlò phản ứng nóng chảy, có thể được chia thành một tập hợp 5 yêu cầu chức năng phổ biến, nhưđược minh họa trong Hình 50.2. Thu thập dữ liệu là quá trình đo lường thực tế các thông số vật lývà đưa chúng vào hệ thống ghi của bạn. Phân tích trực tuyến là bất kỳ quá trình xử lý dữ liệu nào

ngay khi bạn thu thập chúng. Nó bao gồm lời cảnh báo, chuẩn dữ liệu và đôi khi là điều khiển. Ghihoặc lưu trữ dữ liệu là một yêu cầu hiển nhiên của mọi hệ thống ghi dữ liệu. Phân tích ngoại tuyếnlà bất kỳ quá trình xử lý dữ liệu nào sau khi thu thập chúng nhằm tách các thông tin hữu ích rakhỏi chúng. Nhóm chức năng cuối cùng bao gồm việc hiển thị, báo cáo và chia sẻ dữ liệu. Đó là tấtcả những yêu cầu “phức tạp” hình thành nên chức năng của một hệ thống ghi dữ liệu. Hãy xem xétxem mỗi chức năng này được thực hiện như thế nào trong hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC hiệnđại.

Thu thập dữ liệuChức năng thu thập dữ liệu là một trong những thành phần quan trọng nhất của mọi hệ thống

ghi dữ liệu. Trong một hệ thống dựa trên PC, việc thu thập dữ liệu được thực hiện bằng phần cứngđo lường,. Phần cứng này có thể được chia thành cảm biến, kết nối tín hiệu, điều hòa tín hiệu và

biến đổi tương tự thành số (A/D), như thấy ở Hình 50.3. Mỗi một chủ đề trong số những chủ đềnày được trình bầy chi tiết hơn trong các chương khác của cuốn sách này; do đó chương này chỉtrình bày các vấn đề mang tính tổng quan nhất.

Cảm biếnMột loạt các cảm biến được dùng để chuyển đổi các thông số vật lý thành các tín hiệu điện.

Cảm biến nhiệt độ như là cặp nhiệt, RTD hay nhiệt kế là một vài trong số các cảm biến thông dụngnhất được dùng trong các ứng dụng ghi dữ liệu. Các cảm biến phổ biến khác là lưu lượng kế, bộchuyển đổi áp suất, máy đo ứng suất, gia tốc kế, và micro,…Sự lựa chọn và cài đặt hợp lý của cáccảm biến không được bàn tới trong chương này.

Kết nối tín hiệuSau khi các cảm biến được cài đặt, chúng phải được kết nối với hệ thống ghi dữ liệu. Kết nối

tín hiệu là một bộ phận trong phần cứng đo lường của bạn cho phép bạn kết nối các cảm biến vớihệ thống ghi. Đầu nối ren, cho phép bạn kết nối các dây trần từ cảm biến trực tiếp đến hệ thống ghicủa bạn, là dạng kết nối cơ bản nhất. Đầu nối ren là sự lựa chọn hợp lý cho các ứng dụng đa năng,đặc biệt khi bạn cần kết nối một số lượng lớn các tín hiệu vào một . Nhược điểm của đầu nối ren làmất nhiều thời gian trong việc kết nối và khó tái cấu hình. Hình 50.4 giới thiệu một số liên kếtchuẩn khác được thiết kế để nối và ngắt các cảm biến ít dùng cho phòng thí nghiệm. Bộ kết nốicặp nhiệt mini là một kết nối được sử dụng rộng rãi cho cặp nhiệt độ. Bộ kết nối BNC và SMBđược dùng phổ biến khi cần cách điện để loại trừ âm thanh. Banana jack thường được dùng để đodòng điện, điện trở hoặc điện áp cao hơn. Các nhà cung cấp cảm biến thường xác định loại kết nối phù hợp đối với mỗi cảm biến và bạn có quyền lựa chọn phần cứng đo lường mà có thể chấp nhậnkết nối đó.

3




Hình 50.2Phần tử cơ bản của hệ thống ghi dữ liệu

Hình 50.3Phần cứng đo lường của hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC

Hình 50.4Các ví dụ về các loại kết nối tín hiệu

Điều hòa tín hiệuĐiều hòa tín hiệu là một trong những nhân tố quan trọng nhất và cũng rất dễ bị bỏ qua nhất của

hệ thống ghi dựa trên PC. Rất nhiều cảm biến cần công nghệ điều hòa tín hiệu đặc biệt. Ví dụ, tínhiệu thu được từ cặp nhiệt có điện áp rất thấp và yêu cầu có bộ khuếch đại, bộ lọc và sự tuyến tínhhóa. Các cảm biến khác, như là máy đo lực căng và gia tốc kế cần năng lượng bổ sung để khuếch

4



Ghi dữ liệu

đại và lọc, trong khi các tín hiệu khác có thể yêu cầu sự cách ly để bảo vệ hệ thống khỏi điện ápcao. Không có một bộ ghi dữ liệu đơn lẻ nào có được tính linh họat cần thiết để có thể thực hiệnđược các phép đo này. Tuy vậy, với điều hòa tín hiệu ngoại vi, bạn có thể kết hợp các công nghệcần thiết để có thể đưa các dạng tín hiệu khác nhau này vào một hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC.

Phần lớn các tín hiệu này đều cần có một sự chuẩn bị nào đó trước khi chúng được số hóa.Giống như đã trình bày ở trên, các tín hiệu từ cặp nhiệt độ ở mức điện áp rất thấp, vì vậy chúng phải được khuếch đại trước khi có thể số hóa. Các cảm biến khác, như RTD, nhiệt điện trở, máy đo

lực căng, hoặc gia tốc kế yêu cầu năng lượng điện để vận hành. Thậm chí những tín hiệu điện ápthuần túy cũng cần những công nghệ đặc biệt để ngăn chặn những tín hiệu dạng phổ biến lớn hoặcgiúp bạn an toàn trong việc đo lường tín hiệu điện áp cao. Tất cả những công nghệ chuẩn bị này làcác dạng của điều hòa tín hiệu. Bởi vì có nhiều công nghệ điều hòa tín hiệu khác nhau nên vai tròvà sự cần thiết của mỗi công nghệ này có thể gây nên sự nhầm lẫn. Danh mục điều hòa tín hiệu phổ biến, ví dụ và chức năng của chúng khi mà bạn cần được liệt kê sau đây.

Sự khuếch đại . Khi mà các mức điện áp mà bạn đang đo là rất thấp, khuếch đại đượcsử dụng để làm tối đa khả năng của bộ số hóa. Bằng cách khuếch đại tín hiệu đầu ra,điều hòa tín hiệu sử dụng nhiều hơn trong phạm vi cho phép của bộ biến đổi A/D. Điềuđó cho phép làm tăng độ chính xác và độ phân giải của tín hiệu đo được. Các cảm biếntiêu biểu yêu cầu có bộ khuếch đại là cặp nhiệt độ và máy đo độ căng.Sự suy giảm . Sự suy giảm đối lập với sự khuếch đại. Nó cần thiết khi điện áp để số

hóa nằm ngoài phạm vi đầu ra của bộ số hóa. Dạng điều hòa tín hiệu này chia tín hiệuđầu ra sao cho tín hiệu được điều hòa nằm trong phạm vi của bộ biến đổi A/D. Sự suygiảm cần thiết cho việc đo lường điện áp cao.Cách ly . Các tín hiệu điện áp nằm ngoài phạm vi của bộ số hóa có thể pháp hủy hệthống đo lường và gây tổn hại cho bộ điều khiển. Vì lý do này, cách ly được yêu cầu kếthợp với suy giảm nhằm bảo vệ hệ thống và người sử dụng khỏi điện áp nguy hiểm hoặccác xung điện áp. Việc cách ly cũng rất cần thiết khi các cảm biến ở trong mức điện ápnối đất khác với các cảm biến đo lường (giống như việc lắp đặt cặp nhiệt độ trên mộtđộng cơ). Dồn kênh. Thông thường, bộ số hóa là phần đắt nhất của một hệ thống thu thập dữ liệu.Dồn kênh cho phép bạn tự động đưa các tín hiệu vào một bộ số hóa đơn. Đây là mộtcách mang tính kinh tế giúp mở rộng số lượng tín hiệu trên hệ thống của bạn. Dồn kênhcũng có thể cần thiết cho một ứng dụng có số lượng kênh lớn bất kỳ.Lọc. Lọc có chức năng loại bỏ các thành phần tần số không mong muốn ra khỏi một tínhiệu. Điều này giúp ngăn chặn các tín hiệu răng cưa và giảm bớt tín hiệu nhiễu. Các đolường cặp nhiệt độ thương yêu cầu phải có một bộ lọc thông thấp để loại bỏ nhiễuđường tải điện ra khỏi các tín hiệu thu được. Các đo lường dao động thông thường yêucầu phải có một bộ lọc thông thấp tần số cao hơn để loại bỏ các thành phần tín hiệu tầnsố cao nằm ngoài phạm vi của hệ thống thu thập dữ liệu.Sự kích thích . Nhiều loại cảm biến, bao gồm RTD, máy đo độ căng và gia tốc kế yêucầu phải có một số dạng năng lượng nào đó để thực hiện phép đo. Kích thích là côngnghệ điều hòa tín hiệu cung cấp loại năng lượng này. Sự kích thích này có thể là mộtnguồn điện áp hoặc dòng điện, tùy vào từng loại cảm biến.Sự tuyến tính hóa . Một số dạng cảm biến sinh ra các tín hiệu điện áp không có quan

hệ tuyến tính với đại lượng vật lý mà chúng đo đạc. Tuyến tính hóa là quá trình chuyểnđổi tín hiệu từ cảm biến thành thông số vật lý. Việc làm này có thể được thực hiện thôngqua phương pháp điều hòa tín hiệu hoặc phần mềm. Cặp nhiệt độ là một ví dụ điển hìnhvề loại cảm biến yêu cầu phải có sự tuyến tính hóa.Bù mất nhiệt ở mối nối . Một công nghệ khác cần thiết cho quá trình đo đạc củacặp nhiệt độ là bù mất nhiệt ở mối nối (cold-junction compensation - CJC). Bất kỳ lúc

5




nào khi cặp nhiệt độ được nối với hệ thống thu thập dữ liệu thì phải nắm bắt được nhiệtđộ của liên kết đó, nhằm tính toán nhiệt độ thực mà cặp nhiệt độ đang đo. Một cảm biếncó gắn CJC phải được đặt tại vị trí của các liên kết. Lấy mẫu đồng thời. Khi cần phải đo nhiều tín hiệu, chính xác vào cùng một thời điểm,thì việc lấy mẫu đồng thời là cần thiết. Điều hòa tín hiệu ngoại vi có thể cung cấp mộtgiải pháp lấy mẫu đồng thời hiệu quả hơn nhiều việc đầu tư một bộ số hóa có những khảnăng này. Các ứng dụng tiêu biểu có thể yêu cầu lấy mẫu đồng thời bao gồm đo lường

dao động và đo lường độ lệch pha.Hầu hết các cảm biến cần sự kết hợp của công nghệ điều hòa tín hiệu ở trên. Một lần nữa, cặp

nhiệt độ là một ví dụ điển hình bởi vì nó cần khuếch đại, tuyến tính hóa, bù mất nhiệt ở mối nối,lọc và đôi khi cả cách ly. Về lý tưởng, một bản ghi dữ liệu dựa trên PC tốt có thể cung cấp cho bạnkhả năng lựa chọn dạng điều hòa tín hiệu cần cho các ứng dụng của bạn. Trong một số hệ thống,điều hòa tín hiệu ngoại vi là một sự lựa chọn, nhưng trong hệ thống khác, điều hòa tín hiệu ngoạivi là một sự cần thiết để thực hiện các đo lường được yêu cầu. Giống như quy tắc ngón tay cái, hệthống đo lường của bạn có thể bao gồm điều hòa tín hiệu ngoại vi nếu bạn có kế hoạch sử dụng bấtkỳ một trong các lại thiết bị sau: cặp nhiệt độ, RTD, nhiệt điện trở, máy đo độ căng, LVDT, gia tốckế, công tắc, dồn kênh, các tín hiệu điện áp cao/thấp hỗn hợp, đầu vào dòng điện, hoặc đầu vàođiện trở.

Chuyển đổiSau khi các thông số vật lý được chuyển đổi thành các tín hiệu điện và được điều hòa đúngcách, thì đó là thời điểm chuyển đổi các tín hiệu điện tương tự thành các tín hiệu số và đưa các giátrị đó quay trở lại máy tính.

Quá trình chuyển đổi A/D có thể được hoàn thành với một bo mạch thu thập dữ liệu gắn liền,hoặc nó có thể được tích hợp bên trong một gói đơn lẻ với sự điều hòa và khả năng kế nối. Có thểtham khảo chi tiết quá trình chuyển đổi này tại Chương 6.1 và 6.3 của quyển sách này.

Sự kết hợp các cảm biến, khả năng kết nối tín hiệu, điều hòa tín hiệu, và chuyển đổi A/D tạonên phần cứng đo lường của hệ thống ghi dữ liệu. Trong một hệ thống dựa trên PC, phần cứng đolường được cấu hình và điều khiển thông qua phần mềm và đó chính là điều kiện sử dụng phầnmềm được thiết kế cho sự tích hợp hoàn hảo của tất cả các bộ phận cấu thành trong hệ thống ghidữ liệu của bạn.

Phân tích trực tuyếnThành phần chức năng tiếp theo trong hệ thống bản ghi điển hình là phân tích trực tuyến.

Trong hệ thống dựa trên PC, phân tích trực tuyến được thực hiện hoàn hảo thông qua phần mềm.Cần có nhiều dạng khác nhau của phân tích trực tuyến trong các ứng dụng ghi dữ liệu khác nhau.Ở đây chúng ta sẽ trình bày một số dạng phổ biến nhất.

Chọn tỷ lệ cho kênh là việc chuyển đổi giá trị nhị phân ban đầu của hệ thống thu thập dữ liệuthành các giá trị đo có tỷ lệ hợp lý cùng với đơn vị kỹ thuật phù hợp. Một ví dụ là việc tính toánnhiệt độ của máy tính (ο C) từ một cặp nhiệt độ. Bộ số hóa trả lại các kết quả đo dạng nhị phân củađiện áp cặp nhiệt độ và điện áp cảm biến bù nhiệt ở mối nối. Phần mềm chuyển đổi giá trị đo dạngnhị phân thành điện áp, và sau đó sử dụng công thức chuyển đổi cặp nhiệt độ thành nhiệt độ máytính. Tương tự việc chọn tỷ lệ cho kênh, các chương trình được dùng cho bộ đo độ căng, RTD, giatốc kế và các loại khác. May mắn thay, các phần mềm đo lường dựa trên PC tiên tiến thực hiện hầuhết các chức năng chọn tỷ lệ một cách tự động.

Một chức năng phân tích trực tuyến quan trọng khác là cảnh báo và quản lý sự kiện. Nó baogồm việc giám sát kênh và tạo ra một số thông báo nếu các giới hạn định sẵn bị vượt quá. Thông báo này có thể đơn giản như bật đèn cảnh báo, hoặc phức tạp như nhắn cho ai đó thông tin về vấn

6



Ghi dữ liệu

đề xảy ra. Cảnh báo cũng bao gồm một đáp ứng tự động với các sự kiện nào đó. Ví dụ, hệ thốngghi dữ liệu có thể tắt một máy đang được giám sát nếu nhiệt độ dầu bôi trơn vượt quá giá trị giớihạn nào đó.

Phạm vi ứng dụng rộng rãi của chức năng phân tích trực tuyến có thể được yêu cầu trong cácứng dụng ghi dữ liệu khác nhau. Chức năng này có thể bao gồm các hệ thống điều khiển phản hồihoặc phân tích tín hiệu tiên tiến. Chỉ có các hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC mới có được khảnăng linh họat để đáp ứng được các yêu cầu khác nhau này.

Ghi và lưu trữ dữ liệuTheo định nghĩa, mọi hệ thống ghi dữ liệu đều cẩn khối chức năng ghi (hoặc lưu trữ) dữ liệu.

Các phương pháp lưu trữ dữ liệu cũng khác nhau nhiều trong các hệ thống khác nhau. Máy ghi biểu đồ dạng băng sử dụng giấy, bộ ghi dữ liệu truyền thống có thể sử dụng bộ nhớ trong khônglinh động, đĩa mềm hoặc một lọat các thiết bị trung gian khác. Hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PCthường xuyên sử dụng đĩa cứng của PC, mặc dù chúng cũng có thể dùng ổ băng từ, ổ đĩa mạng, ổđĩa RAID và nhiều lựa chọn khác.

Phần mềm đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC, do phần mềmghi dữ liệu được xây dựng tốt quyết định việc lưu trữ dữ liệu như thế nào, tốc độ ghi dữ liệu lênđĩa ra sao và hiệu quả sử dụng không gian lưu trữ như thế nào. Phần mềm ghi cũng cho bạn khảnăng quản lý dữ liệu, ví dụ như là việc thay đổi định dạng dữ liệu, cấu trúc dữ liệu và liên kết vớicác cơ sở dữ liệu.

Định dạng lưu trữ dữ liệu có mối liên hệ chặt chẽ với khả năng hoạt động và tính dễ dàng sửdụng của hệ thống ghi dữ liệu. Có 3 loại định dạng phổ biến hay được sử dụng trong hệ thống ghidữ liệu là: tệp văn bản dạng ASCII, tệp nhị phân, và cơ sở dữ liệu.

Tệp văn bản dạng ASCII là dạng lưu trữ dữ liệu phổ biến và linh hoạt nhất. Các tệp văn bảntrong các ứng dụng ghi dữ liệu thường được tạo thành bởi một tiêu đề và các cột dữ liệu. Phần tiêuđề cung cấp các thông tin như tên kênh, đơn vị, thiết bị kiểm tra và ghi chú của người sử dụng. Cộtdữ liệu đầu tiên thường là cột thời gian của mỗi mẫu, và sau đó là các cột khác cho mỗi kênh đangđược ghi. Tệp văn bản được sử dụng rộng rãi bởi vì chúng có thể được mở hoặc nhập vào hầu hếtcác gói phần mềm, và chúng cũng dễ dàng được truyền giữa các hệ điều hành với nhau. Một sốnhược điểm của tệp dạng văn bản là chúng sử dụng không gian đĩa kém hiệu quả, và chúng cũngcần xử lý bổ sung trước để ghi và đọc từ các tệp. Tệp văn bản dang ASCII được dùng rộng rãi khi

tốc độ thu thập dữ liệu thấp (<1000 mẫu trên 1 giây), tổng số dữ liệu được ghi không quá lớn vàngười sử dụng dễ dàng chia sẻ dữ liệu giữa các ứng dụng phần mềm khác nhau.Tệp nhị phân là một phương pháp lưu trữ dữ liệu hiệu quả nhất. Với tệp nhị phân, các byte ban

đầu mà máy tính đang sử dụng để lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ được ghi trực tiếp lên tệp. Dữ liệunày chiếm ít không gian hơn các thông tin được ghi dưới dạng văn bản ASCII và nó yêu cầu ít hơnđáng kể đầu đọc so với định dạng thành văn bản. Tệp ASCII không thể xem được bằng các phầnmềm ứng dụng phổ thông như là MS Excel. Thay vào đó, chúng phải được chuyển đổi bằng bằngmột chương trình phần mềm thành dạng dữ liệu có nghĩa đầy đủ. Với hệ thống ghi dữ liệu dựa trênPC, bạn có thể ghi dữ liệu chuẩn vừa được xử lý theo đơn vị kỹ thuật chính xác, hoặc bạn có thểghi các giá trị nhị phân ban đầu được lấy từ bộ số hóa. Những giá trị nhị phân ban đầu thể hiệnviệc chuyển đổi A/D của mỗi mẫu được lấy ra từ thiết bị DAQ 16 bit thường chiếm 16 bit, hoặc 2 byte của bộ nhớ. Chương trình chuẩn kênh trong phần mềm ghi của bạn sẽ tự động chuyển đổi dữliệu thô này thành một số thực biểu diễn giá trị vật lý mà bạn đo được. Dữ liệu được chọn tỷ lệthường được quản lý bên trong phần mềm ghi dữ liệu như là một giá trị dấu phẩy động với độchính xác gấp đôi, nó là kiểu dữ liệu chiếm tới 8 byte của bộ nhớ trong hầu hết các hệ thống máytính.

Với các nguyên nhân về khả năng hoạt động, một số hệ thống ghi dữ liệu tốc độ cao có thể ghicác giá trị nhị phân ban đầu lên đĩa, cùng với các hằng số tỷ lệ cần thiết để chuyển đổi chúng thành

7




dữ liệu được chọn tỷ lệ sau này. Hình 50.5 cho thấy mối liên hệ giữa bản ghi nhị phân ban đầu, nhị phân được chọn tỷ lệ và văn bản ASCII. Tệp nhị phân chiếm ít không gian và cho phép cải thiệntốc độ ghi lên đĩa. Tệp nhị phân ban đầu chiếm ít hơn 1/10 kích thước của tệp văn bản chứa cùngmột thông tin. Nhược điểm của tệp nhị phân là chúng phải chuyển đổi sang định dạng khác trướckhi chúng có thể chia sẻ dữ liệu giữa các ứng dụng khác nhau.

Hình 50.5Ví dụ về kích thước tệp lưu trữ dữ liệu

Nhiều gói phần mềm ghi dữ liệu đã ghi dữ liệu vào cơ sở dữ liệu. Cơ sở dữ liệu thường là cáctệp nhị phân cung cấp một định dạng có cấu trúc để chèn và truy lục dữ liệu. Chúng sẽ được tối ưuhóa để quản lý có hiệu quả một lượng lớn dữ liệu và để tìm kiếm các thông tin trong cơ sở dữ liệumà không cần phải nhập vào tất cả mọi thứ vào bộ nhớ. Cơ sở dữ liệu cũng thường được thiết kếđể cho phép sao chép và lưu trữ dữ liệu một cách dễ dàng và chấp nhận cho nhiều người sử dụngcùng một lúc. Chúng thường dùng các phương pháp phần mềm để dễ dàng cho việc nhập vào cácgói phần mềm khác nhau để phân tích và lập báo cáo. Trong nhiều trường hợp, cơ sở dữ liệu là

định dạng lưu trữ dữ liệu lý tưởng cho hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC. Hai nhược điểm của việcdùng cơ sở dữ liệu cho lưu trữ là chúng làm tăng độ phức tạp và khó khăn trong thực thi nếu bắtđầu từ vạch xuất phát.

Nhiều loại phương tiện lưu trữ khác nhau được sử dụng để ghi dữ liệu. Bộ ghi dữ liệu đơn lẻ cóthể sử dụng bộ nhớ on-board không linh động, đĩa mềm, thẻ nhớ PCMCIA, băng từ hoặc bất kỳmột lựa chọn nào khác. Hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC thường phụ thuộc vào ổ cứng trong củamáy tính. Điều đó là khả thi do xu thế phát triển ngày càng tăng độ tin cậy và khả năng của ổ cứng. Ngày nay, các ổ cứng có dung lượng lên đến 20 GB (và lớn hơn) đã tạo cho nó là một trong nhữngthiết bị lưu trữ kinh tế nhất. Nó vẫn thích hợp cho việc sao chép hoặc lưu trữ định kỳ dữ liệu đượccất giữ trên trên một ổ cứng cục bộ.

Các ứng dụng ghi dữ liêu tốc độ cao (lớn hơn 1 M mẫu trên 1 giây) có thể bắt đầu vượt qua tốcđộ ghi lên đĩa của các ổ cứng của PC thông thường. Một trong những ưu điểm của hệ thống ghidựa trên PC là bạn có thể chuyển đến các thiết bị có hiệu suất cao hơn và máy tính có khả nănghoạt động tốt hơn, thường ít hoặc không phải điều chỉnh phần mềm ghi hoặc phần cứng đo lườngcủa bạn. Một dạng của thiết bị lưu trữ tốc độ cao là bộ điều khiển RAID (Hệ thống đĩa dự phòng -redundant array of independent disks). Bộ điều khiển RAID sử dụng nhiều ổ cứng được phối hợpđể tăng cường tốc độ ghi lên đĩa tổ hợp và cung cấp tính toàn vẹn của dữ liệu được hoàn thiệnThiết bị nghe nhìn (Audio-visual - AV) là một dạng khác của thiết bị lưu trữ được sử dụng cho

8



Ghi dữ liệu

việc ghi dữ liệu tốc độ cao. Thiết bị AV được tối ưu cho việc truyền một lượng lớn thông tin về âmthanh và hình ảnh lên đĩa, và sự tối ưu đó cũng làm cho chúng thích hợp hơn trong các ứng dụng bản ghi dữ liệu hiệu suất cao. Cuối cùng, một số công ty tạo ra phần ứng tùy biến cho phép cácthiết bị DAQ truyền dữ liệu qua bus PCI của máy tính, trực tiếp lên thiết bị lưu trữ. Tốc độ truyềnlên đĩa của những thiết bị này bị giới hạn bởi dải thông hiện có của bus PCI, với tốc độ lớn nhấttheo lý thuyết là 132 MB/s trên phần lớn các máy tính.

Phân tích ngoại tuyếnPhân tích ngoại tuyến là chức năng biểu diễn toán học trên dữ liệu sau khi nó được thu thập

nhằm trích ra các thông tin quan trọng. Các dạng phân tích ngoại tuyến có thể bao gồm thống kêcơ bản về các thông số đo lường trên cơ sở của máy tính cũng như nhiều chức năng tiên tiến nhưdanh mục tần số của tín hiệu và thứ tự phân tích. Phân tích ngoại tuyến có thể tích hợp với phầncòn lại của ứng dụng ghi dữ liệu hoặc nó có thể xuất hiện sự tách biệt thông qua gói phần mềm phân tích đơn lẻ. Trong nhiều trường hợp, phân tích không trực tuyến kết hợp với việc lập báo cáo,hiển thị dữ liệu lịch sử và các chức năng chia sẻ dữ liệu.

Hiển thịPhần lớn các ứng dụng ghi dữ liệu cần một số dạng hiển thị để quan sát các đo lường đang

được lưu trữ. Chức năng hiển thị có thể được phân thành quan sát dữ liệu trực tiếp và dữ liệu lịchsử. Hiển thị dữ liệu trực tiếp là rất cần thiết nếu bạn cần quan sát dữ liệu trong khi nó đang đượcthu thập. Nhiều bộ ghi dữ liệu đơn lẻ tích hợp với bộ hiển thị dữ liêu trực tiếp. Hiện thị dữ liệu lịchsử cho phép bạn quan sát các dữ liệu đã được thu thập trước đây. Phần lớn các bộ ghi dữ liệu đơnlẻ yêu cầu bạn phải chuyển dữ liệu tới PC để quan sát dữ liệu lịch sử. Các ứng dụng ghi dữ liệudựa trên PC cho phép bạn kết hợp cả hiển thị dữ liệu trực tiếp và hiển thị dữ liệu lịch sử vào trongcùng một giao diện người dùng. Các tiện tích quan sát dữ liệu cần cung cấp một giao diện ngườidùng trực quan, khả năng cuộn và phóng to, con trỏ và các đặc tính tùy biến chung. Hình 50.6 làmột ví dụ hiển thị dữ liệu lịch sử tiêu biểu được tìm thấy với phần mềm thương mại hiện có.

Lập báo cáoLập báo cáo là một chức năng thường không được coi là một phần trong các ứng dụng ghi dữ

liệu. Trong thực tế, phần lớn ứng dụng ghi dữ liệu cần một số dạng của khả năng lập báo cáo, vớimột lý do đơn giản là nếu bạn ghi dữ liệu, một số người cần xem nó trong một định dạng có thểđọc được thì bạn phải cần có một báo cáo. Lập báo cáo có thể được tích hợp vào trong các ứngdụng ghi dữ liệu dựa trên PC nhằm tăng hiệu suất. Ứng dụng ghi có thể được thiết lập để tạo các báo cáo được xác định trước theo chu kỳ và phân phối chúng đến đối tượng thích hợp.

9




Hình 50.6Ví dụ của hiển thị dữ liệu lịch sử của phần mềm National Instruments VI Logger

Hình 50.7Khả năng lập báo cáo tiên tiến của gói phần mềm National Instruments DIAdem

Hiện nay đã có phần mềm thương mại mạnh, nó được thiết kế cung cấp cho bạn khả năng tiêntiến trong việc phân tích và lập báo cáo từ các thông số đo của bạn. Hình 50.7 cho bạn ví dụ về khảnăng lập báo cáo có thể có của gói phần mềm thương mại đã có này. Khi lựa chọn phần mềm đểlập báo cáo, điều quan trọng là nó tích hợp một cách hoàn hảo với phần còn lại của phần mềm bảnghi dữ liệu. Trong trường hợp lý tưởng, phần mềm bản ghi dữ liệu phải có khả năng đưa dữ liệutrực tiếp đến ứng dụng lập báo cáo và tự động lập báo cáo.

Chia sẻ và xuất bản dữ liệuĐể dữ liệu được ghi trở nên hữu ích, thì nó phải được đưa đến đúng người cần. Với những khả

năng nối mạng của các phần mềm ghi dữ liệu hiện đại, việc chia sẻ dữ liệu và xuất bản nó lênmạng không còn cần đến một trình độ trong khoa học máy tính. Ứng dụng ghi có thể được thiết lậpđể xuất bản dữ liệu trực tiếp lên mạng, và khi nó đang được thu nhận, nó sẽ gửi e-mail định kỳ của10



Ghi dữ liệu

cả dữ liệu ban đầu và kết quả phân tích tới người nhận hoặc tự động đưa các báo cáo lên trangWeb.

Trong các ứng dụng ghi dữ liệu phân tán rộng rãi, mỗi nút ghi có thể xuất bản các kết quả đocủa nó lên mạng và máy chủ có thể đóng vai trò là trung tâm thu nhận. Máy tính trung tâm nhậncác thông số đo lường từ mỗi nút, kết hợp chúng để phân tích và ghi kết quả để lưu trữ lâu dài, vàlập báo cáo phân tích dữ liệu theo định kỳ.

50.4 Hệ thống ghi dữ liệuBây giờ chúng ta đề cập đến các thành phần chức năng của hệ thống ghi dữ liệu, hãy xem xét

xem những bộ phận này có thể thực thi như thế nào trong các hệ thống thực. Tất cả các hệ thốngghi dữ liệu dựa trên PC được tạo thành từ phần mềm và phần cứng. Phần cứng đo lường quản lý phần thu thập dữ liệu của ứng dụng ghi và sự lựa chọn phần cứng sẽ xác định số kênh, dạng cảm biến, tốc độ thu thập và độ chính xác phép đo. Phần mềm đo lường ngoài việc điều khiển phầncứng còn quản lý phân tích trực tuyến, ghi, phân tích ngoại tuyến, hiển thị, báo cáo và chia sẻ dữliệu.

Các tùy chọn phần mềmLựa chọn phần mềm là một trong các bước quan trọng nhất khi xác định một hệ thống ghi dữ

liệu dựa trên PC. Phần mềm có tính chất quyết định hệ thống ghi của bạn nhằm cung cấp cho bạnnhiều tiện ích và giải pháp mềm dẻo. Phần mềm đo lường phải được thiết kế để tích hợp liền mạchvới phần cứng. Ngoài nhiệm vụ cơ bản là thu thập dữ liệu và ghi nó lên đĩa, phần mềm cần cungcấp các công cụ để quản lý cấu hình phần cứng đo lường, chọn tỷ lệ dữ liệu từ các kênh và cănchuẩn hệ thống. Phần mềm nên cho phép bạn hoàn thành đầy đủ ứng dụng của bạn, bao gồm lập báo cáo, phân tích, lưu trữ và chia sẻ. Có 2 loại phần mềm có thể được dùng cho các ứng dụng ghidữ liệu dựa trên PC - phần mềm trọn gói (turnkey software), còn được gọi là phần mềm dựa trêncấu hình và các môi trường phát triển ứng dụng.

Các gói phần mềm trọn gói sẵn sàng chạy trên các ứng dụng phần mềm ghi dữ liệu, nó kết nối bạn với phần cứng đo lường để thu thập và ghi dữ liệu. Những ứng dụng này cung cấp cho bạnmôi trường làm việc thân thiện nhằm cấu hình nhiệm vụ ghi, trình bày cũng như chạy nhanh hơn.Một gói phần mềm ghi dữ liệu dựa trên cấu hình tốt sẽ cung cấp:

Giao diện người dùng trực giác:Cấu hình phần mềm nên có một giao diện dựa trênWindows, điều khiển bằng thực đơn với các chức năng và hướng dẫn trợ giúp truy cậpdễ dàng. Lưu trữ và cất giữ dữ liệu tự động:Một trong các chức năng cơ bản của bất kỳ gói phầnmềm ghi dữ liệu nào là nhằm quản lý việc lưu trữ dữ liệu. Nó nên tự động lưu trữ dữliệu một cách có hiệu quả, và phần mền nên cung cấp một phương pháp để sao lưu vàcất giữ dữ liệu. Khả năng xuất dữ liệu:Ở mức tối thiểu, một gói phần mềm nên cho phép bạn xuất dữliệu tới các tệp văn bản dạng ASCII để bạn có thể nhập nó vào các gói phần mềm khác.Các gói phần mềm ghi dữ liệu cao cấp hơn sẽ cho phép dữ liệu được chuyển đổi tự độngthành các cơ sở dữ liệu và chương trình phân tích thông thường.Quản lý cảnh báo và sự kiện:Phần mềm ghi dữ liệu phải cung cấp khả năng quản lý

cảnh báo và sự kiện. Đó là khả năng phát hiện xem một tín hiệu có vượt quá hoặc dướimức giới hạn hay nằm ngoài hoặc nằm trong một phạm vi hay không. Nếu có cảnh báo, phần mềm có thể cho phép tiến hành một loạt hoạt động, như gửi báo cáo hoặc thựchiện một số dạng đầu ra số hoặc tương tự.Các công cụ hiển thị và xu hướng:Các gói phần mềm ghi trọn gói cần có một giao diệntốt để quan sát cả dữ liệu trực tiếp và dữ liệu lịch sử. Giao diện này phải cho phép bạn

11




cuộn dữ liệu, phóng to tại các khu vực quan tâm, và quan sát các xu hướng dài hạn củadữ liệu.

Một nhược điểm của các ứng dụng dựa trên cấu hình là bạn sẽ bị bó hẹp trong các tính năng donhà sản suất cung cấp trừ khi nhà sản xuất chế tạo theo yêu cầu đặt hàng của bạn. Nếu bạn cầnthay đổi các thông số và bạn cần thêm một dạng tín hiệu khác, bạn có thể không gặp may nếu gói phần mềm không hỗ trợ dạng thông số đó. Ngoài ra, nếu bạn muốn tích hợp phân tích ngoại tuyến,lập báo cáo, và khả năng kết nối mạng vào trong ứng dụng ghi dữ liệu, thì một ứng dụng phần

mềm trọn gói đóng có thể khó thực hiện điều này. Mặt khác, có những ứng dụng phần mềm trọngói cung cấp các phương pháp lựa chọn theo yêu cầu của khách hàng cùng với các công cụ pháttriển ứng dụng phổ biến. Các gói phần mềm ghi dữ liệu có thể tùy biến này cung cấp khả năng tốtnhất cho phép bạn nhanh chóng thích nghi với các ứng dụng ghi của mình, và cũng cho bạn phương pháp tích hợp nhiều chức năng tiên tiến sau này.

Hình 50.8Ví dụ lập trình đồ họa của ứng dụng ghi dữ liệu với National Instruments LabVIEW

Các công cụ phát triển ứng dụng là một lựa chọn khác cho việc phát triển các hệ thống ghi dữliệu dựa trên PC. Các công cụ phát triển có dạng từ những ngôn ngữ lập trình dựa trên văn bản đếncác môi trường lập trình đồ họa. Hình 50.8 là một ví dụ mã phần mềm cho một ứng dụng ghi dữliệu được phát triển trong môi trường lập trình đồ họa. Các công cụ phát triển cho phép bạn xâydựng ứng dụng ghi dữ liệu tùy biến của riêng mình nhằm thực hiện chính xác những gì bạn muốn.Các công cụ phát triển ứng dụng cho bạn khả năng sửa đổi ứng dụng khi nhu cầu của bạn thay đổi,tích hợp các khả năng phân tích và báo cáo tùy biến với ứng dụng ghi của bạn và tự động hóa hoàntoàn hệ thống ghi dữ liệu của bạn.

Khi phát triển các ứng dụng ghi dữ liệu, bạn nên lựa chọn một môi trường phát triển với cácđặc trưng hiệu quả cho phép bạn tạo ra những hệ thống ghi dữ liệu mạnh. Một số đặc trưng cầnxem xét khi đánh giá các công cụ phát triển ứng dụng là:

Phạm vi rộng của các thành phần giao diện người dùng đồ họa:Việc phát triển cácthành phần giao diện người dùng như các đồ thị, hiển thị và điều khiển ngay từ đầu đãtốn khá nhiều thời gian. Bạn nên chọn một môi trường phát triển có các thành phần giaodiện người dùng chất lượng cao.Sự tích hợp chặt chẽ với phần cứng đo lường:Bạn cần sử dụng phần mềm được thiết kếđể làm việc với phần cứng đo lường. Sự tích hợp phần mềm hợp lý không chỉ giúp rútngắn thời gian phát triển một cách đáng kể mà nó còn đảm bảo rằng bạn có được cácthông số đo lường đáng tin cậy.

12



Ghi dữ liệu

Các chức năng phân tích: Một trong các lý do cơ bản của việc phát triển ứng dụng phầnmềm ghi dữ liệu là tích hợp các chức năng phân tích tiên tiến. Một môi trường phát triểnứng dụng tốt sẽ cung cấp một loạt các chức năng phân tích để quản lý hầu hết những gì bạn muốn. Khả năng kết nối mạng:Trong môi trường mạng ngày nay, khả năng kết nối ứng dụngghi dữ liệu của bạn tới Web có thể rất quan trọng. Phần mềm phát triển ứng dụng của bạn nên cung cấp công cụ để đưa các kết quả lên mạng theo một chu trình không có lỗi. Lập báo cáo:Môi trường phát triển ứng dụng của bạn nên cho phép bạn lập báo cáomột cách tự động, hoặc cho phép điều khiển theo chương trình các gói báo cáo lập từ bên ngoài.

Sự lựa chọn giữa phần mềm đóng gói và các công cụ phát triển phụ thuộc vào độ phức tạp củacác ứng dụng ghi dữ liệu và các yêu cầu của khách hàng. Với mỗi sự lựa chọn, cần thiết phải lựachọn một nhà cung cấp phần mềm chuyên đưa ra những thông số phù hợp với máy tính của bạn vàcung cấp dịch vụ cũng như hỗ trợ chất lượng cao.

Lựa chọn phần cứngCó nhiều nền tảng phần cứng khác nhau cho hệ thống ghi dữ liệu. Việc lựa chọn nền tảng này

phụ thuộc vào các yêu cầu của bạn về kích thước, môi trường hoạt động, và lắp đặt. Mặc dù sự kếthợp này rất mật thiết nhưng các nền tảng của bản ghi dữ liệu dựa trên PC có thể chia thành bốnloại chính sau: di động, để bàn, lắp trên khung/công nghiệp, và phân tán. Một trong những lợi íchchính của hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC là phần mềm ghi dữ liệu giống nhau được dùng với tấtcả những nền tảng này.

Giải pháp ghi dữ liệu di động được dùng trong nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ như thiết bịghi dữ liệu trong ôtô hoặc thiết bị thực nghiệm. Giải pháp dựa trên PC di động sử dụng máy tínhxách tay thay cho các máy tính và phần cứng đo lường được thiết kế phù hợp cho việc di động.Hình 50.9 giới thiệu một hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC di động của National Instruments. Bộ sốhóa là một card thu thập dữ liệu PCMCIA cắm liền nối với những hộp nhỏ cỡ máy tính xách tay đểđiều hòa và kết nối tín hiệu. Hệ thống di động thường bị giới hạn tối đa đến 40 kênh tùy thuộc vàocác ràng buộc kích thước.

Hệ thống để bàn, như thấy ở Hình 50.3, sử dụng phần cứng đo lường được thiết kế để làm việcvới các PC để bàn chuẩn. Hệ thống để bàn thích hợp cho một phạm vi rộng các ứng dụng ghi trong phòng thí nghiệm như kiểm tra chất lượng của sản phẩm mới. Khi hệ thống để bàn cố định không bị giới hạn bởi kích thước, các chức năng kết nối và điều hòa tín hiệu thường được thực hiện bởimột hệ điều hòa tín hiệu ngoại vi dạng môđun cho phép khả năng đo các dạng cảm biến và tín hiệucũng như dễ dàng mở rộng để ghi hàng trăm kênh.

Nhiều khi các hệ thống để bàn chiếm quá nhiều diện tích hoặc nó không phù hợp với mỹ quancủa môi trường như phòng thí nghiệm hoặc phương tiện sản xuất quá lớn. Trong những trường hợpnhư vậy, giải pháp gọn nhẹ hơn khi sử dụng PC công nghiệp có tính môđun, dựa trên chuẩn PXIhoặc Compact PCI có thể sẽ là một giải pháp ghi dữ liệu phù hợp hơn. Hình 50.10 là một ví dụ vềhệ thống ghi dựa trên PXI. Một hệ thống mođun bao gồm PC, bo mạch DAQ, điều hòa tín hiệu vàkhả năng kết nối. Những hệ thống như vậy được thiết kế để lắp trên khung sao cho chúng có thể dễdàng thích nghi trong môi trường công nghiệp hoặc phòng thí nghiệm.

Cuối cùng, một số hệ thống ghi dữ liệu cần phân tán khỏi PC. Đây là trường hợp khi bạn cần

ghi dữ liệu từ nhiều vị trí xung quanh một thiết bị như khi ghi các thông hoạt động của xưởng hóachất. Hệ thống ghi phân tán nên gọn nhẹ sao cho chúng có thể được lắp đặt ở nơi kín đáo, vàchúng có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ mở rộng hơn. Với hệ thống ghi phân tán, bạnthường có nhiều điểm đo liên lạc ngược trở lại máy tính trung tâm thông qua một đường truyềnthông như RS 485 hoặc Ethernet. Hình 50.11 là một ví dụ về hệ thống ghi phân tán.

13




Hình 50.9Hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC di động

Hình 50.10Hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC công nghiệp lắp trên khung

Hình 50.11Hệ thống ghi dữ liệu phân tán

Sự lựa chọn nền tảng ghi phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống ghi dữ liệu của bạn và một số hệthống có thể yêu cầu sử dụng nhiều nền tảng khác nhau. Với phần cứng và phần mềm được thiếtkế hợp lý, các hệ thống bản ghi dữ liệu có thể phát triển từ các hệ thống thí nghiệm số kênh thấpđến các hệ thống ghi công nghiệp phân tán, số lượng kênh rất cao.

14



Ghi dữ liệu

50.5 Kết luậnGhi dữ liệu cho phép các nhà khoa học và các kỹ sư đánh giá một loạt các hiện tượng từ các

kiểu thời tiết đến hiệu suất của nhà máy. Hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC tạo sự linh hoạt, tùy biến và tính tích hợp nhất. Để xác định một hệ thống ghi dữ liệu, bạn phải đánh giá được các yêucầu về việc thu thập, phân tích trực tuyến, ghi dữ liệu, phân tích ngoại tuyến, hiển thị, lập báo cáovà chia sẻ dữ liệu. Dựa trên các yêu cầu đó, bạn có thể chọn phần cứng và phần mềm ghi dữ liệu

theo nhu cầu.Các thông tin có liên quan

Thông tin thêm về hệ thống ghi dữ liệu dựa trên PC có sẵn từ National Instruments dưới dạngsách trắng, lưu ý ứng dụng, giải pháp khách hàng, và thông tin về sản phẩm. Truy cập vàowww.ni.comvà tìm kiếm “data logging” (ghi dữ liệu) để xem các thông tin hiện có.

15

http://www.ni.com/

http://www.ni.com/

sổ tay cdt chuong 50-ghi dl

Documents