Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.2 Tổng quan về thu thập dữ liệu (Data Acquisition DAQ)[12]
3.2.1 Khái niệm
Thu thập dữ liệu (data acquisition) là q trình chuyển các tín hiệu vật lý như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, khối lượng,… từ thế giới thực thành tín hiệu điện như điện áp, dịng điện,… để đo lường và chuyển sang tín hiệu số cho q trình xử lý, phân tích và lưu trữ bằng máy tính.
Trong hầu hết các ứng dụng, bộ thu thập dữ liệu (Data Acquisition (DAQ) System) được thiết kế không những chỉ để thu thập dữ liệu mà cịn cả chức năng điều khiển. Vì vậy khi nói hệ DAQ thường hàm ý cả chức năng điều khiển (Data Acquisition and Control).
3.2.2 Cấu trúc
Một hệ thống DAQ gồm các bộ cảm biến, các thiết bị phần cứng dùng để đo lường và một máy tính với phần mềm lập trình. So với các hệ thống đo lường truyền thống, hệ thống đo sử dụng bộ thu thập dữ liệu DAQ dựa trên khai thác sức mạnh xử
lý, năng suất, hiển thị và khả năng kết nối của máy tính tiêu chuẩn cơng nghiệp cung cấp giải pháp đo lường mạnh mẽ hơn, linh hoạt, và hiệu quả hơn.
Hình 3.9 Cấu trúc của một bộ thu thập dữ liệu DAQ
Cảm biến Thiết bị DAQ Máy tính
Mạch xử lý tín hiệu Bộ chuyển đổi ADC Driver Phần mềm ứng dụng
3.2.2.1 Cảm biến
Để đo lường một hiện tượng vật lý, chẳng hạn như nhiệt độ của phòng, cường độ của một nguồn sáng, hoặc lực tác dụng lên một đối tượng,… ta bắt đầu với một bộ cảm biến. Một cảm biến, hay cũng được gọi là một bộ chuyển đổi, dùng để chuyển đổi một hiện tượng vật lý thành một tín hiệu điện đo lường được. Tùy thuộc vào loại cảm biến mà tín hiệu ra của nó có thể là một điện áp, dịng điện, điện trở, hoặc một thuộc tính điện thay đổi theo thời gian nào đó. Một số cảm biến có thể đi kèm các thành phần bổ sung hay các mạch điện để tạo ra tín hiệu chính xác và an tồn cho thiết bị DAQ.
Bảng 3.1 Một vài cảm biến thông thường
Cảm biến Đại lượng đo
Thermocouple, RTD, Thermistor Nhiệt độ
Cảm biến quang Ánh sang
Strain Gage Lực, áp suất
Chiết áp, LVDT, Encoder Vị trí
Gia tốc kế Gia tốc
Điện cực pH Độ pH
3.2.2.2 Thiết bị thu thập dữ liệu DAQ
Là thiết bị kết nối giữa máy tính với các tín hiệu từ mơi trường bên ngồi. Nó chủ yếu có chức năng như một thiết bị số hóa tín hiệu analog đầu vào để cho máy tính có thể phân tích chúng. Ba thành phần chính của một thiết bị DAQ sử dụng để đo lường một tín hiệu là mạch xử lý tín hiệu, bộ chuyển đổi tín hiệu (ADC) và bus kết nối.
Mạch xữ lý tín hiệu: Tín hiệu từ cảm biến hoặc mơi trường bên ngồi có thể
bị nhiễu hoặc quá nguy hiểm để đo trực tiếp. Thơng qua mạch xữ lý, một tín hiệu được chuyển đổi thành dạng thích hợp để đưa vào một ADC. Mạch này có thể bao gồm khuếch đại, suy giảm, lọc, và cơ lập tín hiệu. Một số thiết bị DAQ cịn chứa bộ xử lý tín hiệu được thiết kế để đo cụ thể các loại cảm biến.
Bộ chuyển đổi tín hiệu ADC:tín hiệu analog từ các cảm biến phải được chuyển
đổi sang dạng digital trước khi chúng được xử lý bằng các thiết bị kỹ thuật số như máy tính. Trong thực tế, tín hiệu analog liên tục thay đổi theo thời gian và một ADC sẽ lấy một lượng mẫu nhất định của tín hiệu theo một tỷ lệ được xác định trước. Những mẫu này được chuyển giao cho một máy tính nhờ vào bus truyền.
Bus truyền: Thiết bị DAQ kết nối với một máy tính thơng qua một khe hoặc
cổng nhờ các bus. Các bus máy tính phục vụ như một giao thức truyền thơng giữa các thiết bị DAQ và máy. Các dạng bus máy tính phổ biến nhất bao gồm USB, PCI, PCI Express, và Ethernet. Gần đây hơn, các thiết bị DAQ cịn được tích hợp mạng wifi 802.11 cho truyền thơng khơng dây. Có rất nhiều loại bus truyền và từng loại có những ưu điểm khác nhau tùy vào loại ứng dụng.
Ngồi ra, thiết bị DAQ cịn chứa các chức năng khác như bộ chuyển tín hiệu DAC, xuất tín hiệu ngõ ra dạng analog hay digital, các bộ đếm counter và tạo ra các xung kỹ thuật số.
3.2.2.3 Vai trị của máy tính
Một máy tính với phần mềm lập trình điều khiển hoạt động của các thiết bị DAQ và được sử dụng để xử lý, mô phỏng và lưu trữ dữ liệu cần đo. Các loại máy tính được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau. Máy tính để bàn có thể được sử dụng trong phịng thí nghiệm với sức mạnh xử lý của nó, một máy tính xách tay có thể được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhờ tính di động của nó, hoặc một máy tính cơng nghiệp có thể được sử dụng trong một nhà máy sản xuất cho độ chắc chắn của nó.