工程師經常需要進行數據采集來驗證產品的性能和指標，或者對一些特定的應用進行監測和控制，以便確定其物理參數，例如溫度、應力、壓力和流量。在設計產品時，工程師需要進行各種測量以確保其產品能夠達到預期的技術指標。例如在電源表征應用中，工程師可能會測量不同負載條件下的電源輸出。在所有負載條件下，電壓輸出都必須保持穩定，同時產品內部的溫度變化也應保持最小。或者，在一家飲料制造廠中，化學工程師可能需要監測最終產品的液體流量。在液體流量達到最小或最大極限值時，則需對其進行調整。
在某些情況下，采集此類數據可能非常困難。有沒有更好的辦法來采集數據，并保證數據是有效的？本文介紹了幾種數據采集應用，并將說明一些不同的工具如何幫助您采集和分析數據。
在本文中，我們將探討這些應用的具體情況，并向您介紹通過選擇適合的數據采集設備，將會為您的數據采集和分析帶來哪些幫助。
選擇測量設備
在數據采集過程中，許多測量都需要使用傳感器將物理現象轉換為電壓、電阻或頻率，再使用適當的測量設備（例如數字萬用表）對這些電信號進行測量。
溫度測量是數據采集中最常進行的物理測量之一，它可以通過使用熱電偶、RTD（電阻式溫度探測器）或熱敏電阻傳感器來實現。熱電偶是一個由兩種不同金屬構成的接點，而該接點在受熱時會產生電壓。將該電壓與一個參考接點進行比較，用兩者的差值來確定相關的溫度。RTD 和熱敏電阻是以電阻為基礎制成的傳感器。隨溫度的變化，傳感器的輸出電阻將出現相應的改變。您應當根據測量的類型以及應用所需的精度和線性度選擇合適的傳感器。
幾乎所有的萬用表都可以測量傳感器產生的電壓或電阻，但并非所有的萬用表都可以將電壓或電阻轉換為物理測量值顯示。例如，如果您使用熱電偶進行溫度測量，就需要一個具有自動轉換程序的萬用表。使用這些內置的轉換程序，可以將原始的熱電偶測量結果從電壓值轉換為溫度值。
因此在進行物理測量時，例如上述的電源表征應用，必須選擇一個具有自動轉換程序的儀器。與此同時，如果您希望進一步地簡化數據采集和分析過程，請選擇具有下列特性的數據采集設備：
• 支持數學方程， 如Mx + B，可以方便地轉換其他的傳感器輸出
• 在信號的測量結果超過預定限制閾值時能夠觸發硬件報警
• 包含前端多路復用器，可以將多個測量點或傳感器連接到一個測量儀器
• 包含能夠幫助進行數據采集和分析的軟件
使用軟件工具采集并分析數據
軟件工具也可以讓數據采集和分析變得更簡單。一般來說，軟件工具可以簡化儀器的連接，同時無需任何編程即可進行數據采集和分析。Microsoft ®- Excel 是一種最常見的數據分析工具 。大多數的 PC 中都裝有 Microsoft excel，它的使用非常廣泛。作為一款功能強大的電子表格應用軟件，它支持插入公式，并包含許多內置的制圖功能。部分廠商還提供了 Microsoft Excel 插件，以幫助設置和采集數據。這些產品充分利用微軟的專業技術，可以將采集到的數據直接捕獲到 Microsoft Excel 中。隨后，用戶使用微軟內置的公式和繪圖工具，對這些數據進行處理并繪制成圖形。但該工具需要用戶熟練掌握 Microsoft Excel 的公式和圖形功能。
部分儀器廠商還提供了其他的應用軟件，以擴展儀器的功能，使之更好地適用于特定任務。對于數據采集，這些軟件產品可以簡化儀器的連接，根據需要輕松定義不同的測量、限制閾值和動作。也可以預定或根據特定事件觸發數據采集。諸如標度和數學公式等特性也可以讓您更方便地對數據進行處理和分析。
我們將通過一個簡單的示例，來詳細描述上述的電源表征應用。需要采集的數據包括溫度、電壓和數字測量結果。在所有負載條件下電壓輸出都必須保持穩定，同時產品內部的溫度變化也應保持最小。
我們使用儀器軟件來采集和分析這些數據，并選定掃描中包含的獨立通道，指定不同的測量功能、范圍和分辨率值。
圖 1 中，通道 1001 至 1005 設置為測量電源中的不同電壓，通道 1006 至 1010 設置為測量電源內部不同位置的溫度變化。由于該儀器包含熱電偶自動轉換程序，因此我們無需額外進行轉換。溫度值直接顯示為攝氏度值。通道 2001 至 2002 是數字通道，用于讀取電源狀態。
Res 列用于指定直流電壓測量分辨率，并選擇測量的溫度標度（攝氏度、華氏度或開氏度）。標度功能（即 Mx + B）用于對每個通道上的讀數應用增益和偏置，并可以用來定制線性轉換。這在校準損耗、增益或偏置時十分有用。
在每個 通道上設置報警。每個測量結果都會與報警限制閾值進行比較。如果測量結果超出限制閾值，就會觸發報警。通道 1001 至 1005 上設置了低電壓/高電壓報警閾值，以確保電壓的穩定性。因此，如果電壓輸出超出限制閾值，則會觸發硬件報警 1，開關閉合，并關閉電源。
通道 1006 至 1010 上的報警設置用于控制電源內部的溫度。如果內部溫度過高，就會觸發硬件報警 2，開關閉合，提高變速風扇的轉速。如果溫度降低，將會觸發報警 3，再次降低變速風扇的轉速。
為進行進一步的分析，可以加入計算通道以進行基本的數學、功率公式或應力公式運算，例如加、乘、除、平方根、dBM、全橋和半橋。
圖 1 使用標準軟件工具采集和分析數據
一旦完成對這些通道的配置后，即可預定掃描，在特定時間采集數據。
該軟件包會伴隨儀器免費提供。此外還有一些更高級的軟件包，可以提供更多的控制功能，并允許用戶設定限制閾值，指定在超出限制閾值時將會執行的動作。這些軟件包還可以使用通用 SCPI 命令控制其他儀器。圖 2 顯示了某個應用的數據采集結果，其中一個掃描列表用于監測電爐（oven）溫度，一旦溫度趨于穩定，將發送一個 SCPI 命令來改變電源輸出，繼而開始新的掃描，并采集新的數據。
圖 2 繪制多個掃描列表（包含極限值和動作腳本）的圖形
使用以太網進行遠程數據采集
許多新型儀器都具有以太網接口，使您可以通過網絡輕松訪問測試設備。測試與測量行業中的多家領先制造商和用戶聯合開發了一個全新的 LXI（儀器在局域網中的擴展）行業標準。該標準以經過驗證的以太網標準為基礎，對儀器的交互操作做出了規定。因此，不同廠商所生產的 LXI 儀器都會具有類似的實現模式。LXI 標準的主要方面包括：
• 通信和連接方案的以太網標準
• 定義了編程驅動程序、接口發現和接口安全規則的接口標準
• 從 Web 瀏覽器訪問數據的儀器 Web 服務器要求
• 時間同步的觸發標準
• 物理規格標準，包括尺寸、功率、散熱和 LED 指示器等
將設備部署在測量位置
在數據采集應用中，使用 LXI 儀器可以將測試設備輕松部署在測量位置。對于本文前面提到的負責監控飲料生產流程的工程師來說，需要將測量設備部署在整個生產車間的多個不同位置。連接到網絡之后，測量設備可以輕松采集測量數據并通過網絡發送到中心電腦：無需使用 GPIB/LAN 轉換器，也無需布置很長的電纜連接到測量位置。物理布線長度的縮短，可以減少噪聲對測量的干擾，降低總體成本。
通過標準的 Web 瀏覽器訪問設備
LXI 儀器的另一個特性就是能夠通過標準的 Web 瀏覽器進行訪問。LXI 儀器中裝有一個 Web 服務器端程序，用戶可以通過它訪問和控制該儀器，無需再安裝任何特殊的軟件。
通過儀器的 Web 服務器端程序，您可以打開 Web 瀏覽器，輸入儀器連接網絡的 IP 地址或主機名，便可通過 Web 瀏覽器直接訪問該儀器。
LXI 標準定義了對網頁內容的最低要求。某些儀器只具備基本的功能和簡單的儀器信息瀏覽界面，只能用于監測；而另一些儀器則具有功能齊全的圖形 Web 界面，用戶可以通過該界面全面地訪問和控制這些儀器。
對于在飲料工廠中負責監控生產流程的工程師，他們可以使用 LXI Web 界面來監控在不同位置測量得到的結果。或者，借助具有全部測量和控制功能、符合 LXI 標準的儀器，工程師還能夠通過圖形 Web 界面設置和執行測量。圖 3 顯示了如何使用標準 Web 瀏覽器在開關配置窗口設置和執行溫度測量。
由于 LXI 儀器直接支持溫度傳感器并具有內部補償功能，因此傳感器轉換可以在儀器內部完成。溫度測量結果將直接在工程單元中顯示。使用圖形視圖，可以極大幅度地簡化測量的設置和執行，不需要使用儀器前面板。
圖 3：通過 Web 瀏覽器配置、執行測量或只是監視測量結果
總結
綜上所述，數據采集和分析在某些情況下會很困難。使用適當的測量硬件和軟件工具可以簡化這項工作，并提高采集數據的效用。
• 使用具有自動轉換程序、數學運算功能、告警和多通道輸入等特性的儀器，可以輕松進行數據采集和解讀。
• 使用軟件工具，可以更輕松地實現數據設置、執行和分析。
• 使用符合 LXI 標準的儀器，可以獲得更多優勢：通過嵌入式圖形 Web 界面，遠程訪問和控制測量，輕松地進行測試設置、執行測試和故障診斷。
Microsoft 是微軟公司在美國的注冊商標。