آیا کارت داده برداری تنها برای سیستم های حرفه ای مورد استفاده قرار می گیرد؟

خیر کارت های داده برداری (DAQ) دیگر تنها ابزاری برای سیستم های حرفه ای و صنعتی گران قیمت نیستند. اگرچه ریشه های این فناوری در کاربردهای مهندسی پیچیده و آزمایشگاه های تحقیقاتی پیشرفته است و هنوز هم بخش بزرگی از بازار آن به این حوزه ها تعلق دارد اما امروزه کارت های DAQ در سطوح مختلف قیمتی و با قابلیت های متنوع در دسترس هستند. این تنوع باعث شده تا استفاده از آن ها در محیط های آموزشی پروژه های دانشجویی کاربردهای نیمه حرفه ای و حتی توسط علاقه مندان و افراد خلاق (Hobbyists/Makers) امکان پذیر و رایج شود. عواملی مانند ظهور رابط های کاربری ساده تر مثل USB کاهش هزینه ها و توسعه نرم افزارهای کاربرپسندتر نقش مهمی در این گسترش داشته اند.

کارت داده برداری (DAQ) چیست و چه کاری انجام می دهد؟

کارت داده برداری چیست؟ به زبان ساده کارت داده برداری یا DAQ (Data Acquisition) وسیله ای سخت افزاری است که مانند یک پل بین دنیای فیزیکی و کامپیوتر عمل می کند. دنیای اطراف ما پر از سیگنال های آنالوگ است؛ دما فشار نور صدا نیرو ولتاژ و جریان همگی پدیده هایی پیوسته هستند. کامپیوترها اما دنیای دیجیتال و گسسته را درک می کنند. وظیفه اصلی یک کارت DAQ اندازه گیری این سیگنال های آنالوگ دنیای واقعی و تبدیل آن ها به داده های دیجیتالی است که کامپیوتر بتواند آن ها را پردازش نمایش ذخیره و تحلیل کند.

علاوه بر خواندن سیگنال های آنالوگ بسیاری از کارت های DAQ قابلیت های دیگری نیز دارند :

• تولید سیگنال آنالوگ (Analog Output) : ایجاد ولتاژ یا جریان آنالوگ برای کنترل دستگاه های دیگر.
• ورودی/خروجی دیجیتال (Digital I/O) : خواندن وضعیت سیگنال های دیجیتال (روشن/خاموش ۰/۱) یا کنترل آن ها.
• شمارنده/تایمر (Counter/Timer) : شمارش پالس های دیجیتال یا اندازه گیری دقیق زمان و فرکانس.

بنابراین یک سیستم داده برداری (DAQ System) معمولاً شامل خود کارت DAQ سنسورها (که پدیده فیزیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند) مدارهای تطبیق سیگنال (Signal Conditioning) در صورت نیاز کامپیوتر میزبان و نرم افزار تخصصی برای کنترل فرآیند و تحلیل داده ها می شود.

اجزای کلیدی یک کارت داده برداری

برای درک بهتر عملکرد کارت DAQ بهتر است با اجزای داخلی اصلی آن آشنا شویم :

1. مبدل آنالوگ به دیجیتال (Analog-to-Digital Converter – ADC) : این قلب تپنده هر کارت DAQ است که وظیفه اصلی تبدیل سیگنال آنالوگ پیوسته (مانند ولتاژ) به یک مقدار عددی دیجیتال گسسته را بر عهده دارد. دو مشخصه مهم ADC عبارتند از :
• رزولوشن (Resolution) : بر حسب بیت (bit) بیان می شود و نشان دهنده دقت تبدیل است. یک ADC با رزولوشن بالاتر (مثلاً ۲۴ بیت) می تواند تغییرات کوچکتری در سیگنال ورودی را نسبت به یک ADC با رزولوشن پایین تر (مثلاً ۱۲ بیت) تشخیص دهد. رزولوشن بالاتر به معنی دقت بیشتر است.
• نرخ نمونه برداری (Sampling Rate) : بر حسب نمونه بر ثانیه (S/s یا Sa/s) بیان می شود و نشان می دهد که ADC با چه سرعتی می تواند سیگنال ورودی را نمونه برداری و تبدیل کند. نرخ نمونه برداری بالاتر برای اندازه گیری سیگنال هایی که به سرعت تغییر می کنند (فرکانس بالا) ضروری است.
2. مولتی پلکسر (Multiplexer – MUX) : بسیاری از کارت های DAQ چندین کانال ورودی آنالوگ دارند اما ممکن است تنها یک یا چند ADC داشته باشند. مولتی پلکسر مانند یک سوئیچ سریع عمل می کند و به ترتیب هر یک از کانال های ورودی را به ADC متصل می کند تا امکان اندازه گیری از چندین منبع با یک ADC فراهم شود.
3. تقویت کننده با بهره قابل برنامه ریزی (Programmable Gain Amplifier – PGA) : سیگنال های ورودی از سنسورها ممکن است بسیار ضعیف یا بسیار قوی باشند. PGA قبل از ADC قرار می گیرد و سطح سیگنال را تقویت یا تضعیف می کند تا در محدوده بهینه ورودی ADC قرار گیرد و از حداکثر رزولوشن آن استفاده شود.
4. حافظه Buffer (Memory Buffer) : داده های دیجیتال تبدیل شده توسط ADC ابتدا در یک حافظه موقت روی کارت DAQ ذخیره می شوند. این بافر کمک می کند تا داده ها در سرعت های بالا از دست نروند حتی اگر کامپیوتر میزبان برای لحظاتی مشغول پردازش دیگری باشد.
5. رابط کامپیوتر (Computer Interface) : این بخش وظیفه انتقال داده های دیجیتال از بافر کارت DAQ به کامپیوتر و همچنین دریافت دستورات از کامپیوتر را بر عهده دارد. رابط های رایج عبارتند از USB, PCI, PCIe, Ethernet, و PXI/PXIe.
6. مبدل دیجیتال به آنالوگ (Digital-to-Analog Converter – DAC) : در کارت هایی که قابلیت خروجی آنالوگ دارند DAC داده های دیجیتال ارسال شده از کامپیوتر را به سیگنال آنالوگ (معمولاً ولتاژ) تبدیل می کند.
7. خطوط ورودی/خروجی دیجیتال (Digital I/O Lines) : برای خواندن یا کنترل سیگنال های دیجیتال (مانند وضعیت یک سوئیچ یا روشن/خاموش کردن یک LED).
8. شمارنده ها/تایمرها (Counters/Timers) : مدارهای تخصصی برای شمارش پالس های ورودی یا تولید پالس ها و شکل موج های دقیق زمانی.

کارت های DAQ چگونه سیگنال ها را اندازه گیری می کنند؟ (فرآیند گام به گام)

فرآیند اندازه گیری یک سیگنال آنالوگ توسط کارت DAQ معمولاً شامل مراحل زیر است :

1. اتصال سیگنال : ابتدا سنسور یا منبع سیگنال به یکی از کانال های ورودی آنالوگ کارت DAQ متصل می شود.
2. تطبیق سیگنال (اختیاری) : در صورت نیاز سیگنال از مدارهای Signal Conditioning عبور می کند. این مدارها ممکن است وظایفی مانند فیلتر کردن نویز ایزوله کردن سیگنال (برای ایمنی یا حذف حلقه های زمین) تقویت سیگنال های بسیار ضعیف (مانند خروجی ترموکوپل ها یا سنسورهای کرنش سنج) یا تبدیل نوع سیگنال (مثلاً تبدیل مقاومت به ولتاژ) را انجام دهند. این مدارها گاهی روی خود کارت DAQ و گاهی به صورت ماژول های خارجی وجود دارند.
3. انتخاب کانال : مولتی پلکسر (MUX) کانال مورد نظر را انتخاب کرده و به مسیر بعدی متصل می کند.
4. تنظیم بهره : تقویت کننده با بهره قابل برنامه ریزی (PGA) سطح سیگنال را برای محدوده ورودی ADC بهینه می کند.
5. نمونه برداری و تبدیل : مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) در فواصل زمانی مشخص (تعیین شده توسط نرخ نمونه برداری) از سیگنال آنالوگ نمونه برداری کرده و آن را به یک مقدار عددی دیجیتال تبدیل می کند.
6. ذخیره در بافر : داده دیجیتال حاصل در حافظه بافر روی کارت ذخیره می شود.
7. انتقال به کامپیوتر : داده ها از طریق رابط کامپیوتر (مثلاً USB یا PCIe) به حافظه اصلی (RAM) کامپیوتر منتقل می شوند.
8. پردازش توسط نرم افزار : نرم افزار DAQ (مانند LabVIEW, MATLAB, Python با کتابخانه های مربوطه یا نرم افزارهای اختصاصی سازنده) داده ها را از حافظه کامپیوتر می خواند و برای نمایش تحلیل ذخیره سازی در فایل یا استفاده در حلقه های کنترلی آن ها را پردازش می کند.

انواع کارت های داده برداری و کاربردهایشان

کارت های DAQ را می توان بر اساس معیارهای مختلفی دسته بندی کرد :

• بر اساس نوع سیگنال :
• ورودی آنالوگ (Analog Input – AI) : رایج ترین نوع برای اندازه گیری ولتاژ جریان دما فشار و…
• خروجی آنالوگ (Analog Output – AO) : برای تولید سیگنال های کنترلی آنالوگ شکل موج های سفارشی و…
• ورودی/خروجی دیجیتال (Digital I/O – DIO) : برای خواندن وضعیت سنسورهای دیجیتال کنترل رله ها ارتباط با دستگاه های دیجیتال دیگر.
• شمارنده/تایمر (Counter/Timer – C/T) : برای اندازه گیری فرکانس شمارش رویدادها اندازه گیری موقعیت با انکودرها تولید پالس (PWM).
• چندکاره (Multifunction) : محبوب ترین نوع که ترکیبی از قابلیت های بالا (معمولاً AI, AO, DIO, C/T) را در یک کارت ارائه می دهد.
• بر اساس فرم فاکتور و رابط اتصال :
• کارت های داخلی (PCI/PCIe) : مستقیماً در اسلات های مادربرد کامپیوترهای رومیزی نصب می شوند. معمولاً سرعت انتقال داده بالاتری دارند و برای سیستم های دائمی و با کارایی بالا مناسبند.
• ماژول های خارجی (USB) : بسیار محبوب به دلیل سهولت استفاده (Plug-and-Play) و قابلیت حمل. برای لپ تاپ ها و کاربردهای آزمایشگاهی و آموزشی ایده آل هستند. تنوع زیادی از نظر قیمت و کارایی دارند.
• ماژول های خارجی (Ethernet/Wi-Fi) : برای سیستم های توزیع شده اندازه گیری از راه دور و کاربردهایی که نیاز به فاصله زیاد بین سنسور و کامپیوتر است مناسبند.
• سیستم های ماژولار (PXI/PXIe, cDAQ) : شاسی هایی که می توان ماژول های مختلف اندازه گیری و کنترل را در آن ها قرار داد. بسیار انعطاف پذیر قدرتمند و مناسب برای سیستم های تست و اندازه گیری پیچیده و صنعتی هستند. معمولاً گران ترند.
• دیتالاگرها (Data Loggers) : دستگاه های مستقل و قابل حمل که معمولاً دارای حافظه داخلی و باتری هستند و می توانند داده ها را بدون نیاز به اتصال دائم به کامپیوتر ثبت کنند.

فراتر از صنعت : کاربرد DAQ در آموزش تحقیقات و پروژه های شخصی

همانطور که در ابتدا اشاره شد کارت های DAQ دیگر محدود به کارخانه ها و آزمایشگاه های بزرگ نیستند. دلایل اصلی این گسترش عبارتند از :

1. کاهش هزینه : ظهور کارت ها و ماژول های DAQ ارزان تر به ویژه مدل های مبتنی بر USB آن ها را برای بودجه های محدودتر قابل دسترس کرده است.
2. سهولت استفاده : رابط USB و نرم افزارهای کاربرپسندتر (حتی با رابط های گرافیکی مانند LabVIEW یا کتابخانه های سطح بالا در Python) باعث شده تا افراد با دانش برنامه نویسی کمتر هم بتوانند از آن ها استفاده کنند.
3. نیاز آموزشی : دانشگاه ها و مراکز آموزشی از کارت های DAQ برای آموزش عملی مفاهیم مهندسی فیزیک و علوم تجربی استفاده می کنند. دانشجویان می توانند به طور مستقیم پدیده های فیزیکی را اندازه گیری و تحلیل کنند. ابزارهایی مانند NI myDAQ به طور خاص برای اهداف آموزشی طراحی شده اند.
4. جنبش سازندگان (Maker Movement) و علاقه مندان (Hobbyists) : افراد خلاق و علاقه مندان به الکترونیک از کارت های DAQ برای ساخت پروژه های شخصی متنوع از سیستم های اتوماسیون خانگی پیشرفته گرفته تا ایستگاه های پایش محیطی یا ابزارهای تست سفارشی استفاده می کنند.
5. تحقیقات در مقیاس کوچکتر : تیم های تحقیقاتی کوچکتر یا آزمایشگاه هایی با بودجه محدود می توانند از کارت های DAQ مقرون به صرفه تر برای انجام آزمایش ها و جمع آوری داده های دقیق استفاده کنند.
6. نمونه سازی سریع : کسب وکارهای کوچک و استارتاپ ها می توانند از DAQ برای نمونه سازی سریع سیستم های اندازه گیری و کنترل خود استفاده کنند.

مثال هایی از کاربردهای غیرصنعتی :

• یک دانشجوی فیزیک از کارت DAQ USB برای ثبت داده های یک آزمایش نوسانگر استفاده می کند.
• یک علاقه مند به الکترونیک سیستمی برای پایش دما و رطوبت گلخانه خود با استفاده از سنسورها و یک کارت DAQ ساده می سازد.
• یک تیم رباتیک دانشجویی از کارت DAQ برای خواندن داده های سنسورهای مختلف روی ربات خود استفاده می کند.
• یک آزمایشگاه بیومکانیک از DAQ برای ثبت همزمان سیگنال های EMG (نوار عصب و عضله) و داده های نیروسنج استفاده می کند.

چه زمانی به کارت DAQ نیاز داریم و چه زمانی جایگزین ها کافی هستند؟

با وجود گسترش دسترسی به کارت های DAQ همیشه بهترین یا تنها راه حل نیستند. برای کارهای ساده تر یا با نیازهای کمتر جایگزین های ارزان تر و ساده تری وجود دارد :

• میکروکنترلرها (مانند Arduino, ESP۳۲) :
• مزایا : بسیار ارزان جامعه کاربری بزرگ و پشتیبانی عالی مصرف توان پایین قابلیت کار مستقل (بدون نیاز دائم به کامپیوتر) کتابخانه های فراوان برای انواع سنسورها.
• معایب : ADC داخلی معمولاً با رزولوشن پایین تر (۱۰ یا ۱۲ بیت) و دقت و پایداری کمتر نرخ نمونه برداری محدودتر نیاز به برنامه نویسی (معمولاً C/C++ یا MicroPython) عدم وجود نرم افزارهای تحلیل پیشرفته به صورت پیش فرض نیاز به مدارهای واسط اضافی برای بسیاری از سنسورها.
• چه زمانی مناسب است؟ برای پروژه هایی که دقت بسیار بالا یا سرعت نمونه برداری زیاد نیاز نیست تعداد کانال ها کم است هزینه بسیار مهم است یا نیاز به عملکرد مستقل از کامپیوتر وجود دارد (مانند دیتالاگرهای ساده یا کنترلرهای تعبیه شده).
• کامپیوترهای تک بردی (مانند Raspberry Pi) :
• مزایا : قدرت پردازشی بیشتر از میکروکنترلرها سیستم عامل کامل (لینوکس) قابلیت اتصال آسان به شبکه پشتیبانی از زبان های برنامه نویسی سطح بالا (Python) قیمت مناسب.
• معایب : معمولاً فاقد ADC داخلی (نیاز به ADC خارجی یا HAT های مخصوص) قابلیت های Real-time محدودتر نسبت به برخی میکروکنترلرها همچنان دقت و سرعت کمتر از DAQ های اختصاصی.
• چه زمانی مناسب است؟ برای پروژه هایی که نیاز به پردازش داده بیشتر روی خود دستگاه اتصال به شبکه یا رابط کاربری گرافیکی دارند اما همچنان دقت و سرعت خیلی بالا اولویت اول نیست. HAT های DAQ مخصوص Raspberry Pi نیز موجود هستند که قابلیت های اندازه گیری بهتری را فراهم می کنند.
• سنسورهای USB ساده : برخی سنسورها (مانند وب کم ها برخی دماسنج ها یا ماژول های GPS) مستقیماً از طریق USB به کامپیوتر متصل می شوند و نیاز به کارت DAQ جداگانه ندارند.

چه زمانی کارت DAQ ضروری یا بهترین گزینه است؟

• نیاز به دقت و رزولوشن بالا : اندازه گیری سیگنال های بسیار کوچک یا نیاز به تفکیک تغییرات جزئی (رزولوشن ۱۶ ۱۸ یا ۲۴ بیت).
• نیاز به نرخ نمونه برداری بالا : اندازه گیری سیگنال های سریع و با فرکانس بالا (صوت ارتعاشات سیگنال های گذرا) که نیاز به نرخ نمونه برداری ده ها یا صدها کیلوهرتز یا حتی مگاهرتز دارند.
• تعداد کانال های زیاد : نیاز به اندازه گیری همزمان از ده ها یا صدها سنسور.
• همگام سازی دقیق بین کانال ها : نیاز به دانستن دقیق زمان نمونه برداری هر کانال نسبت به کانال های دیگر یا همگام سازی با دستگاه های دیگر.
• نیاز به Signal Conditioning خاص : اندازه گیری مستقیم از سنسورهایی که نیاز به تطبیق سیگنال پیچیده دارند (مانند ترموکوپل با جبران سازی اتصال سرد کرنش سنج ها با پل وتستون سنسورهای IEPE برای ارتعاش).
• نیاز به قابلیت های Real-time و کنترل حلقه بسته : کاربردهایی که نیاز به پاسخ سریع و قطعی به داده های ورودی دارند.
• ادغام با نرم افزارهای مهندسی استاندارد : نیاز به استفاده از محیط های نرم افزاری قدرتمند مانند LabVIEW, MATLAB, یا نرم افزارهای تحلیل تخصصی که درایورهای بهینه شده برای کارت های DAQ دارند.
• قابلیت اطمینان و پایداری : در کاربردهای صنعتی یا تحقیقاتی حساس که پایداری و دقت تضمین شده اهمیت دارد.

عوامل مهم در انتخاب کارت داده برداری مناسب

انتخاب کارت DAQ مناسب می تواند کمی گیج کننده باشد. در اینجا به مهم ترین عواملی که باید در نظر بگیرید اشاره می کنیم :

1. نوع و تعداد کانال ها : چه نوع سیگنال هایی (آنالوگ ورودی/خروجی دیجیتال شمارنده) و چه تعداد از هر کدام را نیاز دارید؟ آیا در آینده نیاز به افزایش تعداد کانال ها خواهید داشت؟
2. رزولوشن (Resolution) : حداقل تغییر در سیگنال که باید قادر به اندازه گیری آن باشید چقدر است؟ (مثلاً ۱۲ ۱۶ یا ۲۴ بیت) دقت بالاتر معمولاً هزینه بیشتری دارد.
3. نرخ نمونه برداری (Sampling Rate) : بالاترین فرکانس سیگنالی که می خواهید اندازه گیری کنید چقدر است؟ طبق قضیه نایکوئیست نرخ نمونه برداری باید حداقل دو برابر بالاترین فرکانس مورد نظر باشد اما در عمل معمولاً ۵ تا ۱۰ برابر توصیه می شود. آیا به نمونه برداری همزمان از همه کانال ها نیاز دارید یا نمونه برداری ترتیبی (Multiplexed) کافی است؟
4. محدوده ورودی (Input Range) و بهره (Gain) : کارت باید بتواند دامنه ولتاژ (یا جریان) سیگنال شما را بپذیرد. آیا سیگنال شما بسیار ضعیف است و نیاز به تقویت دارد؟ آیا کارت قابلیت تنظیم بهره (PGA) دارد؟
5. تطبیق سیگنال (Signal Conditioning) : آیا به ویژگی های خاصی مانند ایزولاسیون فیلترینگ یا مدارهای واسط برای سنسورهای خاص (ترموکوپل RTD کرنش سنج شتاب سنج IEPE) نیاز دارید؟
6. دقت (Accuracy) : دقت کلی سیستم اندازه گیری چقدر باید باشد؟ دقت تحت تأثیر عواملی مانند خطاهای بهره آفست نویز و پایداری دمایی است. مشخصات دقت را در دیتاشیت کارت بررسی کنید.
7. رابط اتصال (Interface) : کدام رابط برای سیستم شما مناسب تر است (USB برای سهولت و قابلیت حمل PCIe برای سرعت بالا در سیستم رومیزی Ethernet برای فواصل دور)؟
8. نرم افزار و درایورها : کارت با چه سیستم عامل هایی سازگار است؟ آیا درایور برای محیط برنامه نویسی مورد نظر شما (مانند LabVIEW, MATLAB, Python, C++) موجود است؟ آیا نرم افزار آماده ای برای پیکربندی و نمایش داده ها ارائه می شود؟ پشتیبانی نرم افزاری چقدر قوی است؟
9. محیط کار : آیا کارت در محیط صنعتی با نویز الکتریکی بالا یا شرایط دمایی خاص استفاده خواهد شد؟ نیاز به کارت های مقاوم (Rugged) یا ایزوله دارید؟
10. بودجه : هزینه کارت و همچنین هزینه های جانبی مانند کابل ها ترمینال بلاک ها و نرم افزار را در نظر بگیرید.

نرم افزار : بخش جدایی ناپذیر سیستم DAQ

به نقل از وب سایت https://ni-daq.ir سخت افزار DAQ به تنهایی کاربرد چندانی ندارد. این نرم افزار است که به شما امکان می دهد سخت افزار را پیکربندی کنید داده ها را جمع آوری کنید آن ها را پردازش تحلیل و نمایش دهید و در نهایت نتایج را ذخیره یا برای کنترل استفاده کنید. بخش نرم افزاری یک سیستم DAQ معمولاً شامل موارد زیر است :

1. درایور (Driver) : نرم افزار سطح پایینی که به سیستم عامل و برنامه های کاربردی اجازه می دهد با سخت افزار DAQ ارتباط برقرار کنند. سازندگان معتبر معمولاً درایورهای قوی و پایداری مانند NI-DAQmx ارائه می دهند.
2. رابط برنامه نویسی کاربردی (API – Application Programming Interface) : مجموعه ای از توابع و دستورات که برنامه نویسان می توانند از آن ها در زبان های برنامه نویسی مختلف (مانند LabVIEW, C/C++, C#, Python, MATLAB) برای کنترل سخت افزار و کار با داده ها استفاده کنند.
3. نرم افزارهای کاربردی (Application Software) :
• محیط های توسعه گرافیکی : مانند LabVIEW که امکان ساخت برنامه های پیچیده اندازه گیری و کنترل را بدون نیاز به نوشتن کدهای متنی طولانی فراهم می کند.
• نرم افزارهای آماده (Ready-to-run) : برخی سازندگان نرم افزارهای ساده ای برای پیکربندی سریع نمایش زنده داده ها و ثبت آن ها ارائه می دهند (مانند DAQExpress).
• کتابخانه ها برای زبان های متنی : کتابخانه هایی که استفاده از توابع API را در محیط هایی مانند Python یا MATLAB آسان تر می کنند.

انتخاب نرم افزار مناسب به سطح مهارت برنامه نویسی شما پیچیدگی کار و نیاز به تحلیل های خاص بستگی دارد. نرم افزارهای حرفه ای مانند LabVIEW قابلیت های بسیار گسترده ای دارند اما یادگیری آن ها نیز زمان بر است.

جمع بندی : کارت DAQ ابزاری قدرتمند اما نه فقط برای حرفه ای ها

در پاسخ نهایی به سوال اصلی : خیر کارت های داده برداری دیگر منحصراً برای سیستم های حرفه ای نیستند. آن ها ابزارهای قدرتمندی برای اندازه گیری دقیق و سریع پدیده های دنیای واقعی و وارد کردن آن ها به دنیای دیجیتال هستند. در حالی که سیستم های پیشرفته همچنان ستون فقرات تست و اندازه گیری در صنعت و تحقیقات پیشرفته را تشکیل می دهند ظهور گزینه های مقرون به صرفه تر کاربرپسندتر و قابل حمل تر (به ویژه مبتنی بر USB) درهای استفاده از این فناوری را به روی دانشجویان اساتید محققان با بودجه محدود و علاقه مندان خلاق گشوده است.