کارت داده‌برداری

به فرایند دریافت و جمع‌آوری سیگنال از یک یا چند سنسور که در حال اندازه‌گیری شرایط محیط پیرامون هستند داده‌برداری (به انگلیسی: data acquisition) گفته می‌شود. داده‌برداری معمولاً با هدف تبدیل اطلاعات سنسورها به داده‌های دیجیتال بمنظور انجام پردازش‌های بعدی در کامپیوتر صورت می‌گیرد. سیستم‌های داده برداری (به انگلیسی: data acquisition system) یا به‌صورت مخفف شده DAS ،DAQ یا DAU عموماً وظیفه تبدیل امواج آنالوگ به مقادیری دیجیتال و قابل فهم برای کامپیوتر را بر عهده دارند.

بلوک دیاگرام سیستم داده‌برداری

اجزای سیستم های داده‌برداری شامل موارد زیر است:

1. سنسورها که وظیفه تبدیل پارامترهای فیزیکی مانند دما، فشار و غیره به سیگنال‌های الکتریکی را برعهده دارند.
2. مدارهای مطلوب‌ساز سیگنال (به انگلیسی: Signal Condition)، که وظیفه آنها تبدیل سیگنال‌های دریافت شده از سنسورها به شکلی قابل فهم برای کارت داده‌برداری است.
3. مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (به انگلیسی: A/D Converter) که وظیفه تبدیل سیگنال‌های مطلوب‌سازی شده آنالوگ به مقادیر دیجیتال را برعهده دارند.

برنامه‌های داده‌برداری معمولاً با استفاده از زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف مانند اسمبلی، بیسیک، C ،C++ ،C# ،Fortran ،Java ،LabVIEW، لیسپ، پاسکال نوشته می‌شوند. سیستم‌های داده‌برداری مستقل (به انگلیسی: Stand-alone Data Acquisition Systems)، دیتالاگر نیز نامیده می‌شوند. همچنین بسته‌های نرم‌افزاری منبع باز (به انگلیسی: Open-Source) نیز وجود دارد که تمام ابزارهای لازم را برای داده‌برداری از تجهیزات سخت افزاری مختلف را فراهم میکند. این ابزارها در جوامع علمی که در آنجا آزمایش‌های پیچیده نیاز به نرم‌افزاری سریع، انعطاف‌پذیر (به انگلیسی: Flexible) و سازگار (به انگلیسی: Adaptable) دارد تهیه می‌شوند. علاوه بر نرم‌افزارهای منبع باز، نرم‌افزارهای شرکتی هم هستند که به‌صورت تخصصی برای داده‌برداری ساخته شده‌اند. یکی از پیشروترین شرکت‌ها در زمینه تجهیزات داده‌برداری شرکت National Instruments یا به اختصار NI امریکا است. شرکت NI یک زبان برنامه‌نویسی گرافیکی با نام لب‌ویو (به انگلیسی: LabVIEW) دارد که به صورت تخصصی برای برنامه‌نویسی‌های مرتبط با داده‌برداری ساخته شده است.

تاریخچه

در سال 1963، IBM رایانه‌هایی تولید کرد که به صورت تخصصی برای داده‌برداری ساخته شده بودند. این سیستمهای گران قیمت تخصصی در سال 1974 با رایانه‌های عمومی مدل S-100 و کارت‌های داده‌برداری تولید شده توسط Tecmar / Scientific Solutions Inc. جایگزین شدند. در سال 1981، IBM همراه با معرفی رایانه شخصی IBM برای تحقیقات علمی اولین سیستم داده‌برداری مبتنی بر رایانه‌های شخصی را معرفی کرد. ^{[۱][۲][۳][۴][۵]}

اصول و پایه داده‌برداری

فرایند داده‌برداری با یک پدیده یا ویژگی فیزیکی قابل اندازه‌گیری آغاز می‌شود. برای مثال می‌توان به دما، فشار، شدت نور و غیره اشاره کرد. صرفنظر از نوع خاصیت فیزیکی قابل اندازه‌گیری (دما، فشار، نیرو و غیره)، ابتدا باید وضعیت فیزیکی مورد اندازه‌گیری به شکلی قابل نمونه‎برداری برای سیستم داده‌برداری تبدیل شود. وظیفه انجام چنین تغییراتی برعهده دستگاه‌هایی است که سنسور نامیده می‌شوند. سیستم‌های داده‌برداری مجموعه‌ای از نرم‌افزار و سخت‌افزار است که به کاربر امکان اندازه‌گیری یا کنترل خصوصیات فیزیکی یک وسیله یا پدیده‌ای در دنیای واقعی را می‌دهد. یک سیستم داده‌برداری کامل شامل سنسورها، کارت داده‌برداری، سخت‌افزار مطلوب‌سازی سیگنال و رایانه‌ای شامل نرم‌افزار داده‌برداری است. اگر در فرایند داده‌گیری زمان‌بندی هم اهمیت داشته باشد، یک سیستم جبران زمانبندی توزیع شده جداگانه نیاز است. سنسور، نوعی مبدل است که خاصیت فیزیکی را به سیگنال الکتریکی مربوط به آن تبدیل می‌کند. باتوجه به اینکه خروجی سنسورهای مختلف متفاوت است، یک سیستم داده‌برداری برای آنکه بتواند با انواع سنسورها کار کند باید سیگنال خروجی از سنسورها با توجه به شرایط کارت داده‌برداری تنظیم شوند. این عمل مطلوب‌سازی سیگنال (به انگلیسی: Signal Conditioning) نامیده می‌شود. در حالت کلی مطلوب‌سازی سیگنال شامل اعمال فیلترهای بالاگذر و پایین‌گذر، تقویت‌سازی سیگنال (به انگلیسی: Amplification) و شکل‌دهی سیگنال است. برخی از فراینده‌های دیگر مطلوب‌سازی سیگنال که به صورت خاص‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از: تکمیل پل (به انگلیسی: Bridge Completion) برای مدارهایی که براساس پل-وتسون کار می‌کنند، تامین ولتاژ یا جریان تحریک برای سنسور، خطی‌سازی (به انگلیسی: Linearization) هستند. همچنین به منظور انتقال سیگنال، تبدیل سیگنال‌های Single-Ended که حساسیت بالایی به نویز دارند به سیگنال‌های Differential که در برابر نویز مقاوم‌تر هستند از دیگر نمونه‌های مطلوب‌سازی سیگنال است.

سخت‌افزار داده‌برداری

سخت‌افزار داده‌برداری عموماً وسیله‌ای است که بین سیگنال و کامپیوتر قرار دارد. این وسیله می‌تواند به شکل ماژول‌هایی باشد که می‌توانند به پورت‌های USB، سری یا موازی کامپیوتر متصل شوند یا به‌صورت کارت‌هایی باشد که به اسلات مادربرد کامپیوتر (PCI یا PCIe یا SATA) متصل می‌شوند.

کارت‌های داده‌برداری عموماً شامل چند المان هستند. این المان‌ها عبارتند از (multiplexer, ADC, DAC, TTL-IO, high speed timers, RAM) این المان‌ها از طریق یک میکروکنترلر قابل برنامه‌ریزی هدایت می‌شوند.

درایور کارت داده‌برداری

برای اینکه سخت افزار DAQ بتواند با کامپیوتر کار کند، به درایور (به انگلیسی: Driver) نیاز است. درایور یک سخت‌افزار، از یک طرف با اجرای کدهای سطح پایین خواندن و نوشتن وظیفه ارتباط با سخت‌افزار را برقرار می‌کند و از طرف دیگر بوسیله API به کاربر این اجازه را می‌دهد تا متناسب با نیاز خود سخت‌افزار را بکار بگیرد.

منابع

1. COMDEX Fall November 18, 1981 Las Vegas, NV, "Tecmar shows 20 IBM PC option card.. LabMaster, LabTender, DADIO, DeviceTender, IEEE-488"
2. PC Magazine Vol1 No.1, "Taking the Measure" by David Bunnell, "Tecmar deployed 20 option cards for the IBM PC"
3. PC Magazine Vol1 No.5, "Tecmar Triumph" by David Bunnell, Scientific Solutions releases 20 new products for the PC
4. BYTE Vol7 No.1 "Scientific Solutions – Advertisement for data acquisition boards, stepper controllers, IEEE-488 products
5. Test&Measurement World Vol 11 No 10 Decade of Progress Award: Scientific Solutions – LabMaster First in PC Data Acquisition