کارت داده برداری چیست و چرا برای هر کامپیوتر ضروری است؟

کارت داده برداری (Data Acquisition Card یا DAQ) اساساً یک پل ارتباطی بین دنیای فیزیکی و کامپیوتر شماست. این قطعه سخت افزاری سیگنال های آنالوگ دنیای واقعی – مانند دما فشار نور صدا لرزش یا ولتاژ – را اندازه گیری کرده و آن ها را به داده های دیجیتالی تبدیل می کند که کامپیوتر بتواند پردازش تحلیل و ذخیره کند. حالا آیا واقعاً برای هر کامپیوتری ضروری است؟ راستش را بخواهید نه برای هر کامپیوتر معمولی که برای وب گردی بازی یا کارهای اداری استفاده می شود. اما برای هر کامپیوتری که قرار است با دنیای فیزیکی تعامل مستقیم داشته باشد اندازه گیری های دقیق انجام دهد فرآیندهای صنعتی را کنترل کند یا در تحقیقات علمی به کار گرفته شود یک کارت داده برداری نه تنها ضروری بلکه قلب تپنده سیستم محسوب می شود. بدون آن کامپیوتر از درک و واکنش به پدیده های محیطی ناتوان خواهد بود.

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

کارت داده برداری چیست؟ بیایید کمی عمیق تر شویم. دنیای اطراف ما پر از پدیده های آنالوگ است؛ یعنی سیگنال هایی که به طور پیوسته در طول زمان تغییر می کنند مثل موج صدا یا تغییر تدریجی دما. کامپیوترها برعکس با دنیای دیجیتال کار می کنند؛ دنیایی متشکل از صفر و یک ها گسسته و دقیق. کارت داده برداری (DAQ) دقیقاً در مرز این دو دنیا قرار می گیرد.

وظیفه اصلی یک کارت DAQ نمونه برداری از یک سیگنال آنالوگ در فواصل زمانی مشخص و تبدیل مقدار هر نمونه به یک عدد دیجیتال است. این فرآیند توسط یک جزء کلیدی به نام مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) انجام می شود. علاوه بر این بسیاری از کارت های DAQ قابلیت های دیگری هم دارند :

1. تولید سیگنال آنالوگ : برخی کارت ها دارای مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) هستند که می توانند داده های دیجیتال کامپیوتر را به سیگنال های آنالوگ (مثلاً برای کنترل یک دستگاه) تبدیل کنند.
2. ورودی/خروجی دیجیتال (DIO) : این قابلیت امکان خواندن وضعیت سیگنال های دیجیتال (روشن/خاموش بالا/پایین) یا کنترل دستگاه های دیجیتال (مانند رله ها یا LEDها) را فراهم می کند.
3. شمارنده/زمان سنج (Counter/Timer) : برای اندازه گیری فرکانس شمارش پالس ها یا تولید پالس های دقیق زمانی استفاده می شود که در کنترل موتورها یا اندازه گیری سرعت کاربرد دارد.

بنابراین کارت DAQ فقط یک مبدل ساده نیست بلکه یک رابط چندمنظوره برای انواع سیگنال ها بین کامپیوتر و دنیای خارج است. هدف نهایی استفاده از آن اندازه گیری دقیق پدیده های فیزیکی مانیتورینگ سیستم ها و در بسیاری موارد کنترل خودکار فرآیندها بر اساس داده های اندازه گیری شده است.

اجزای کلیدی یک سیستم داده برداری

یک کارت DAQ به تنهایی کار نمی کند؛ بخشی از یک سیستم داده برداری بزرگ تر است. درک اجزای این سیستم به فهم بهتر نقش کارت DAQ کمک می کند :

1. حسگرها و مبدل ها (Sensors/Transducers) : این ها اولین حلقه زنجیره هستند. حسگرها پدیده های فیزیکی (مثل دما فشار نور نیرو) را تشخیص داده و آن ها را به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه گیری (معمولاً ولتاژ یا جریان) تبدیل می کنند. انتخاب حسگر مناسب برای پدیده ای که می خواهید اندازه گیری کنید حیاتی است.
2. آماده سازی سیگنال (Signal Conditioning) : سیگنال های خروجی از حسگرها اغلب خام ضعیف دارای نویز یا در محدوده نامناسب برای ADC هستند. بخش آماده سازی سیگنال (که می تواند روی خود کارت DAQ یا در یک ماژول جداگانه باشد) وظایفی مانند تقویت (Amplification) سیگنال های ضعیف فیلتر کردن (Filtering) نویزهای ناخواسته ایزولاسیون (Isolation) برای محافظت از سیستم در برابر ولتاژهای بالا و خطی سازی (Linearization) (برای حسگرهایی که پاسخ غیرخطی دارند) را انجام می دهد. این مرحله برای اطمینان از دقت و اعتبار داده ها بسیار مهم است.
3. کارت داده برداری (DAQ Hardware) : این همان سخت افزاری است که ADC DAC (در صورت وجود) DIO و شمارنده ها را در خود جای داده است. وظیفه اصلی آن دیجیتالی کردن سیگنال های آماده شده و برقراری ارتباط با کامپیوتر است.
4. رابط کامپیوتر (Computer Interface) : کارت DAQ باید به کامپیوتر متصل شود. این اتصال می تواند از طریق گذرگاه های داخلی مانند PCI یا PCIe (برای کارت هایی که داخل کیس کامپیوتر نصب می شوند) یا از طریق پورت های خارجی مانند USB Ethernet یا حتی Wi-Fi (برای ماژول های DAQ خارجی) باشد. انتخاب نوع رابط به عواملی مانند سرعت انتقال داده مورد نیاز قابلیت حمل و محیط نصب بستگی دارد.
5. نرم افزار (Software) : این جزء مغز متفکر سیستم است. نرم افزار DAQ وظیفه پیکربندی سخت افزار (تنظیم نرخ نمونه برداری محدوده ورودی و غیره) کنترل فرآیند داده برداری (شروع و توقف) نمایش زنده (Visualization) داده ها ذخیره سازی (Logging) داده ها در فایل و تحلیل و پردازش (Analysis) داده های جمع آوری شده را بر عهده دارد. بدون نرم افزار مناسب سخت افزار DAQ عملاً بی استفاده است.

این پنج جزء با هم کار می کنند تا امکان اندازه گیری و تعامل کامپیوتر با دنیای فیزیکی را فراهم کنند.

انواع مختلف کارت ها و دستگاه های داده برداری

دستگاه های DAQ در شکل ها و اندازه های مختلفی عرضه می شوند که هر کدام برای کاربردها و محیط های خاصی مناسب هستند :

1. کارت های داخلی (Internal DAQ Cards) :
• این کارت ها مستقیماً روی مادربرد کامپیوتر و در اسلات های PCI یا PCIe نصب می شوند.
• مزایا : سرعت انتقال داده بالا (به خصوص PCIe) هزینه معمولاً کمتر نسبت به مدل های خارجی با قابلیت مشابه اتصال پایدار و بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی (برق را از گذرگاه می گیرند).
• معایب : نیاز به باز کردن کیس کامپیوتر برای نصب محدودیت در تعداد اسلات های موجود حساسیت بیشتر به نویز الکتریکی داخل کیس کامپیوتر عدم قابلیت حمل آسان.
• کاربرد : سیستم های آزمایشگاهی ثابت کامپیوترهای کنترلی صنعتی که در یک مکان ثابت هستند.
2. ماژول های خارجی (External DAQ Modules) :
• این دستگاه ها به صورت جعبه های جداگانه هستند که از طریق پورت های استاندارد به کامپیوتر متصل می شوند.
• انواع رابط : USB (رایج ترین استفاده آسان سرعت های مختلف از USB ۲.۰ تا USB ۳.x) Ethernet (مناسب برای فواصل طولانی تر سیستم های توزیع شده اتصال به شبکه) Wi-Fi (برای کاربردهای بی سیم و مکان های صعب العبور).
• مزایا : نصب آسان (Plug-and-Play) قابلیت حمل بالا امکان قرارگیری نزدیک تر به حسگرها (کاهش طول کابل و نویز) ایزولاسیون بهتر از نویز کامپیوتر عدم نیاز به اسلات داخلی.
• معایب : سرعت ممکن است نسبت به PCIe محدودتر باشد (بسته به رابط) نیاز به منبع تغذیه خارجی در بسیاری از مدل ها هزینه ممکن است بیشتر باشد.
• کاربرد : سیستم های قابل حمل داده برداری در محیط های میدانی سیستم های توزیع شده کاربردهایی که نیاز به ایزولاسیون بالا دارند.
3. دیتا لاگرها (Data Loggers) :
• این ها دستگاه های مستقل (Standalone) هستند که معمولاً دارای حافظه داخلی و باتری هستند و می توانند بدون اتصال مستقیم و مداوم به کامپیوتر داده ها را جمع آوری و ذخیره کنند. داده ها بعداً از طریق USB یا رابط دیگری به کامپیوتر منتقل می شوند.
• مزایا : قابلیت کارکرد مستقل و طولانی مدت اندازه کوچک مصرف انرژی کم.
• معایب : عدم امکان مشاهده و تحلیل داده ها به صورت زنده (Real-time) قابلیت های پردازشی محدود.
• کاربرد : مانیتورینگ محیطی طولانی مدت (دما رطوبت) ثبت داده در وسایل نقلیه کاربردهایی که حضور کامپیوتر ممکن یا مطلوب نیست.
4. سیستم های تعبیه شده (Embedded DAQ Systems) :
• در این حالت قابلیت های DAQ مستقیماً در یک سیستم کامپیوتری فشرده و تعبیه شده (مانند CompactRIO از NI یا MicroLab از Measurement Computing) ادغام شده است. این سیستم ها اغلب دارای پردازنده حافظه و سیستم عامل بلادرنگ (Real-time OS) هستند و برای کنترل های دقیق و سریع طراحی شده اند.
• مزایا : قابلیت اطمینان بالا عملکرد بلادرنگ مقاومت در برابر شرایط سخت محیطی (ارتعاش دما).
• معایب : هزینه بالا نیاز به دانش تخصصی برای برنامه نویسی و پیکربندی.
• کاربرد : کنترل ماشین آلات پیچیده سیستم های تست خودکار پیشرفته رباتیک.

انتخاب نوع دستگاه DAQ بستگی زیادی به نیازمندی های کاربرد شما دارد : آیا به سرعت بالا نیاز دارید؟ آیا سیستم باید قابل حمل باشد؟ آیا نیاز به کارکرد مستقل دارید؟ بودجه شما چقدر است؟

مشخصات فنی کلیدی که باید بشناسید

هنگام انتخاب یا کار با یک کارت DAQ چندین مشخصه فنی مهم وجود دارد که عملکرد و دقت آن را تعیین می کنند. درک این مشخصات به شما کمک می کند تا دستگاه مناسب برای نیاز خود را انتخاب کنید :

1. وضوح یا رزولوشن (Resolution) :
• این مشخصه به تعداد بیت هایی که ADC برای نمایش یک نمونه آنالوگ استفاده می کند اشاره دارد. رزولوشن معمولاً به صورت ۱۲ بیت ۱۶ بیت ۱۸ بیت یا ۲۴ بیت بیان می شود.
• اهمیت : هرچه تعداد بیت ها بیشتر باشد ADC می تواند سطوح ولتاژ بیشتری را در محدوده ورودی خود تشخیص دهد و در نتیجه دقت اندازه گیری بالاتر می رود. برای مثال یک ADC با رزولوشن ۱۲ بیت می تواند ۲^۱۲ = ۴۰۹۶ سطح ولتاژ مجزا را تشخیص دهد در حالی که یک ADC با رزولوشن ۱۶ بیت می تواند ۲^۱۶ = ۶۵۵۳۶ سطح را تشخیص دهد. این یعنی ADC ۱۶ بیتی می تواند تغییرات بسیار کوچکتری در سیگنال ورودی را ثبت کند.
• انتخاب : برای سیگنال هایی که تغییرات کوچک و دقیق دارند (مانند اندازه گیری دما با ترموکوپل یا سیگنال های زیستی) رزولوشن بالا ضروری است. برای سیگنال های با دامنه بزرگ و تغییرات سریع ممکن است رزولوشن پایین تر کافی باشد.
2. نرخ نمونه برداری (Sampling Rate) :
• این مشخصه نشان می دهد که ADC چند نمونه در ثانیه از سیگنال آنالوگ ورودی می گیرد. واحد آن نمونه بر ثانیه (S/s) یا کیلو نمونه بر ثانیه (kS/s) یا مگا نمونه بر ثانیه (MS/s) است.
• اهمیت : نرخ نمونه برداری تعیین می کند که حداکثر فرکانس سیگنالی که می توانید به درستی اندازه گیری کنید چقدر است. طبق قضیه نایکوئیست-شانون برای بازسازی دقیق یک سیگنال نرخ نمونه برداری باید حداقل دو برابر بالاترین فرکانس موجود در آن سیگنال باشد (f_s ≥ ۲f_max). نمونه برداری با نرخ پایین تر از حد لازم منجر به پدیده ای به نام Aliasing می شود که در آن سیگنال با فرکانس بالا به اشتباه به صورت یک سیگنال با فرکانس پایین تر ظاهر می شود و اطلاعات از دست می رود.
• انتخاب : برای سیگنال های با تغییرات کند (مانند دما) نرخ نمونه برداری پایین کافی است. برای سیگنال های صوتی یا لرزش به نرخ های بسیار بالاتر (ده ها یا صدها kS/s یا حتی MS/s) نیاز است. توجه کنید که نرخ نمونه برداری حداکثر معمولاً برای یک کانال ذکر می شود؛ اگر از چندین کانال به صورت همزمان استفاده کنید نرخ نمونه برداری مؤثر برای هر کانال ممکن است کاهش یابد (مگر اینکه کارت دارای ADC مجزا برای هر کانال باشد که به آن Simultaneous Sampling می گویند).
3. تعداد و نوع کانال ها (Number and Type of Channels) :
   • ورودی آنالوگ (Analog Input – AI) : برای خواندن سیگنال های آنالوگ. می توانند تک سر (Single-Ended – SE) باشند که ولتاژ را نسبت به زمین مشترک اندازه گیری می کنند (مستعد نویز) یا تفاطلی (Differential – DIFF) که اختلاف ولتاژ بین دو سیم ورودی را اندازه گیری می کنند (مقاومت بهتر در برابر نویز).
   • خروجی آنالوگ (Analog Output – AO) : برای تولید سیگنال های آنالوگ (نیاز به DAC).
   • ورودی/خروجی دیجیتال (Digital Input/Output – DIO) : برای خواندن یا نوشتن سیگنال های دیجیتال (TTL, LVTTL, CMOS).
   • شمارنده/زمان سنج (Counter/Timer – C/T) : برای اندازه گیری فرکانس شمارش پالس تولید پالس.
• کارت های DAQ می توانند تعداد مختلفی کانال ورودی/خروجی داشته باشند. انواع اصلی کانال ها عبارتند از :
• انتخاب : تعداد کانال های مورد نیاز به تعداد سیگنال هایی که می خواهید همزمان اندازه گیری یا کنترل کنید بستگی دارد. نوع کانال ها نیز باید با نوع سیگنال های شما (آنالوگ دیجیتال پالس) مطابقت داشته باشد.
4. محدوده ورودی (Input Range) :
• مشخص می کند که کارت DAQ چه محدوده ولتاژی را می تواند بپذیرد (مثلاً ±۱۰ ولت ۰ تا ۵ ولت ±۱ ولت). بسیاری از کارت ها امکان انتخاب نرم افزاری محدوده ورودی را دارند.
• اهمیت : انتخاب محدوده ورودی مناسب که با دامنه سیگنال شما تطابق داشته باشد باعث استفاده بهینه از رزولوشن ADC می شود. اگر سیگنال شما کوچک باشد و محدوده ورودی بزرگی انتخاب کنید دقت اندازه گیری کاهش می یابد. اگر سیگنال از محدوده ورودی فراتر رود اشباع (Saturation) رخ می دهد و داده ها نادرست خواهند بود.
• آماده سازی سیگنال : گاهی لازم است سیگنال ورودی توسط مدارات آماده سازی سیگنال تضعیف (Attenuate) یا تقویت (Amplify) شود تا در محدوده بهینه کارت DAQ قرار گیرد.
5. دقت (Accuracy) در برابر صحت (Precision) :
• صحت (Precision) : به تکرارپذیری اندازه گیری ها اشاره دارد (چقدر اندازه گیری های متوالی به هم نزدیک هستند) و بیشتر تحت تأثیر رزولوشن و نویز سیستم است.
• دقت (Accuracy) : به نزدیکی مقدار اندازه گیری شده به مقدار واقعی اشاره دارد و تحت تأثیر خطاهای سیستماتیک مانند خطای بهره (Gain error) خطای آفست (Offset error) غیرخطی بودن (Nonlinearity) و تغییرات دمایی است. دقت معمولاً به صورت درصدی از مقدار خوانده شده به اضافه درصدی از محدوده کامل (Full Scale Range – FSR) بیان می شود.
• اهمیت : بسته به کاربرد ممکن است یکی از این دو یا هر دو مهم باشند. در کالیبراسیون و اندازه گیری های مطلق دقت بالا حیاتی است. در تشخیص تغییرات کوچک صحت (یا رزولوشن) اهمیت بیشتری پیدا می کند.
6. توان عملیاتی (Throughput) :
• به نرخ واقعی انتقال داده از کارت DAQ به حافظه کامپیوتر اشاره دارد. این مقدار می تواند تحت تأثیر نرخ نمونه برداری تعداد کانال های فعال رزولوشن نوع گذرگاه (USB, PCIe) و عملکرد کامپیوتر میزبان باشد. توان عملیاتی همیشه کمتر یا مساوی حاصل ضرب نرخ نمونه برداری کل در تعداد بیت های رزولوشن است.

درک این مشخصات فنی به شما کمک می کند تا نه تنها کارت DAQ مناسب را انتخاب کنید بلکه تنظیمات بهینه را برای دستیابی به بهترین نتایج در اندازه گیری های خود اعمال کنید.

فرآیند داده برداری چگونه کار می کند؟ (قدم به قدم)

حالا که با اجزا و مشخصات آشنا شدیم بیایید ببینیم فرآیند کامل داده برداری از ابتدا تا انتها چگونه انجام می شود :

1. وقوع پدیده فیزیکی : همه چیز با یک پدیده در دنیای واقعی شروع می شود که می خواهیم آن را اندازه گیری کنیم؛ مثلاً تغییر دمای یک کوره لرزش یک پل صدای یک موتور یا ولتاژ خروجی یک سلول خورشیدی.
2. تشخیص توسط حسگر : حسگر یا مبدل مناسب این پدیده فیزیکی را به یک سیگنال الکتریکی (معمولاً ولتاژ یا جریان) متناسب با آن تبدیل می کند. مثلاً یک ترموکوپل دما را به یک ولتاژ کوچک (میلی ولت) تبدیل می کند.
3. آماده سازی سیگنال : سیگنال الکتریکی خام از حسگر به بخش آماده سازی سیگنال فرستاده می شود. در اینجا سیگنال ممکن است تقویت شود (مثلاً ولتاژ میلی ولتی ترموکوپل) فیلتر شود تا نویزهای فرکانس بالا یا پایین حذف شوند ایزوله شود تا از سیستم در برابر ولتاژهای خطرناک محافظت گردد یا خطی سازی شود (اگر پاسخ حسگر غیرخطی باشد). هدف رساندن یک سیگنال تمیز پایدار و در محدوده مناسب به ورودی کارت DAQ است.
4. نمونه برداری و تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC) : سیگنال آماده شده وارد کارت DAQ می شود. در اینجا ADC در فواصل زمانی معین (تعیین شده توسط نرخ نمونه برداری) از سیگنال آنالوگ نمونه برداری می کند. مقدار ولتاژ هر نمونه با توجه به رزولوشن ADC به یک عدد دیجیتال (دودویی) تبدیل می شود.
5. انتقال داده به کامپیوتر : داده های دیجیتال تولید شده توسط ADC از طریق رابط کامپیوتر (PCIe, USB, Ethernet و…) به حافظه (RAM) کامپیوتر منتقل می شوند. سرعت و پایداری این انتقال برای داده برداری پیوسته و بدون از دست دادن داده (Data loss) بسیار مهم است.
6. پردازش نمایش و ذخیره سازی توسط نرم افزار : نرم افزار DAQ که روی کامپیوتر اجرا می شود این داده های دیجیتال خام را دریافت می کند. سپس می تواند :
• پردازش اولیه : اعمال کالیبراسیون تبدیل داده های باینری به واحدهای مهندسی (مثلاً ولتاژ به درجه سانتی گراد).
• نمایش زنده (Real-time Display) : نمایش داده ها به صورت نمودار عدد یا نشانگرهای گرافیکی تا کاربر بتواند وضعیت سیستم را به صورت زنده مشاهده کند.
• ذخیره سازی (Data Logging) : ذخیره داده ها در فایل هایی با فرمت های مختلف (مانند CSV, TDMS, باینری) برای تحلیل های بعدی یا مستندسازی.
• تحلیل (Analysis) : انجام محاسبات پیچیده تر روی داده ها مانند تحلیل فوریه (FFT) برای بررسی محتوای فرکانسی محاسبات آماری تشخیص الگو و غیره.
7. (اختیاری) ارسال سیگنال های کنترلی : در سیستم های کنترلی حلقه-بسته (Closed-loop) نرم افزار بر اساس داده های ورودی تحلیل شده تصمیماتی می گیرد و فرمان های کنترلی را صادر می کند. این فرمان ها ممکن است به صورت :
• سیگنال آنالوگ : از طریق DAC روی کارت DAQ تولید شده و برای کنترل یک شیر تناسبی یا درایو موتور استفاده شود.
• سیگنال دیجیتال : از طریق DIO برای روشن/خاموش کردن یک پمپ یا فعال کردن یک رله ارسال شود.

این چرخه (اندازه گیری -> تحلیل -> کنترل) می تواند به طور مداوم تکرار شود و اساس بسیاری از سیستم های اتوماسیون و تست را تشکیل می دهد.

چرا کامپیوترهای خاصی به کارت داده برداری نیاز دارند؟ (کاربردها)

همانطور که در ابتدا گفتیم کارت DAQ برای کامپیوترهای معمولی خانگی یا اداری ضروری نیست. اما در طیف وسیعی از کاربردهای تخصصی نقش حیاتی ایفا می کند. چرا؟ چون این کامپیوترها باید بتوانند سیگنال های دنیای واقعی را با دقت بالا سرعت کافی و قابلیت اطمینان اندازه گیری و پردازش کنند – کاری که ورودی/خروجی های استاندارد کامپیوتر (مثل پورت سریال USB عمومی یا حتی کارت صدا) قادر به انجام آن نیستند یا محدودیت های جدی دارند.

بیایید به چند حوزه کاربردی کلیدی نگاه کنیم :

1. اتوماسیون و کنترل صنعتی (Industrial Automation & Control) :
• چرا DAQ ضروری است؟ در کارخانه ها و فرآیندهای صنعتی نیاز به مانیتورینگ مداوم پارامترهایی مانند دما فشار سطح مایعات سرعت موتور موقعیت بازوهای رباتیک و کنترل دقیق عملگرها (شیرها پمپ ها گرم کن ها) وجود دارد. کارت های DAQ صنعتی با قابلیت هایی مانند ایزولاسیون بالا مقاومت در برابر نویز تعداد کانال های زیاد و عملکرد بلادرنگ امکان پیاده سازی سیستم های کنترل قابل اعتماد (مانند PLC-based یا PC-based control) را فراهم می کنند.
• مثال : کنترل دمای یک کوره صنعتی تنظیم سرعت نوار نقاله بر اساس وزن محصول مانیتورینگ لرزش یک توربین برای پیش بینی خرابی.
2. تحقیقات علمی (Scientific Research) :
• چرا DAQ ضروری است؟ آزمایشگاه های فیزیک شیمی زیست شناسی مهندسی و سایر علوم نیاز به اندازه گیری های بسیار دقیق و گاهی بسیار سریع از پدیده های مختلف دارند. کارت های DAQ با رزولوشن بالا نرخ نمونه برداری متنوع و نویز پایین ابزار اصلی برای جمع آوری داده های تجربی هستند.
• مثال : ثبت سیگنال های الکتریکی قلب (ECG) یا مغز (EEG) در تحقیقات پزشکی اندازه گیری خواص مواد در فیزیک حالت جامد مانیتورینگ واکنش های شیمیایی ثبت داده از سنسورهای شتاب سنج در آزمایش های دینامیک سازه ها.
3. تست و اندازه گیری (Test & Measurement) :
• چرا DAQ ضروری است؟ در فرآیند طراحی و تولید محصولات مختلف (از قطعات الکترونیکی گرفته تا خودرو و هواپیما) نیاز به تست های عملکردی دوام و ایمنی وجود دارد. سیستم های تست مبتنی بر DAQ امکان خودکارسازی این تست ها جمع آوری حجم زیادی از داده ها و تحلیل نتایج را فراهم می کنند.
• مثال : تست عملکرد موتور خودرو در شرایط مختلف اندازه گیری تنش و کرنش در بال هواپیما تحت بارگذاری تست کیفیت سیگنال در دستگاه های مخابراتی تست طول عمر قطعات الکترونیکی.
4. مانیتورینگ محیطی و ساختاری (Environmental & Structural Monitoring) :
• چرا DAQ ضروری است؟ برای نظارت بر شرایط محیطی (آب و هوا آلودگی هوا/آب) یا سلامت سازه ها (پل ها ساختمان ها سدها) نیاز به جمع آوری داده از تعداد زیادی حسگر توزیع شده در فواصل طولانی و به صورت مداوم (گاهی سال ها) است. دستگاه های DAQ (به خصوص دیتالاگرها و سیستم های مبتنی بر اترنت یا بی سیم) این امکان را فراهم می کنند.
• مثال : ایستگاه های هواشناسی خودکار شبکه های پایش کیفیت هوا سیستم های پایش سلامت سازه (SHM) با استفاده از حسگرهای کرنش سنج و شتاب سنج.

در تمام این موارد کارت DAQ به کامپیوتر اجازه می دهد تا فراتر از دنیای دیجیتال داخلی خود رفته و به عنوان یک ابزار قدرتمند برای درک و تعامل با دنیای فیزیکی عمل کند. بدون آن این کاربردها یا غیرممکن بودند یا با دقت و کارایی بسیار کمتری انجام می شدند.

تفاوت کارت داده برداری با کارت صدای معمولی چیست؟

گاهی این سوال پیش می آید که آیا نمی توان از کارت صدای (Sound Card) معمولی کامپیوتر که آن هم ورودی (میکروفون) و خروجی (بلندگو) آنالوگ دارد و از ADC و DAC استفاده می کند به عنوان یک جایگزین ارزان برای کارت DAQ استفاده کرد؟ پاسخ کوتاه این است : برای کاربردهای بسیار محدود و غیردقیق شاید؛ اما برای اندازه گیری های جدی قطعاً نه.

دلایل اصلی این تفاوت ها عبارتند از :

1. هدف طراحی و بهینه سازی :
• کارت صدا : برای ضبط و پخش صدا در محدوده شنوایی انسان (معمولاً ۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلوهرتز) بهینه شده است. فیلترها و مدارهای آن برای حذف فرکانس های خارج از این محدوده (مانند DC یا فرکانس های بسیار بالا) طراحی شده اند.
• کارت DAQ : برای اندازه گیری طیف وسیع تری از سیگنال ها از DC (ولتاژ ثابت) گرفته تا فرکانس های بسیار بالا (بسته به مدل تا مگاهرتز) طراحی شده است.
2. دقت و رزولوشن :
• کارت صدا : معمولاً دارای رزولوشن ۱۶ یا ۲۴ بیت است اما دقت مطلق (Accuracy) آن برای اندازه گیری های علمی و صنعتی تضمین شده نیست و می تواند تحت تأثیر عواملی مانند کوپلینگ AC (حذف مولفه DC) و کالیبراسیون محدود باشد.
• کارت DAQ : برای دقت بالا طراحی شده و مشخصات دقت آن (خطای آفست بهره خطی بودن) به طور کامل در دیتاشیت ذکر می شود. اغلب امکان کالیبراسیون دقیق را فراهم می کند.
3. محدوده ورودی و کانال ها :
• کارت صدا : معمولاً دارای یک یا دو کانال ورودی (Line-in, Mic-in) با محدوده ورودی ثابت و محدود (معمولاً در حد چند ولت پیک-تا-پیک) است که برای سیگنال های سطح خط یا میکروفون طراحی شده اند. ورودی ها معمولاً AC-Coupled هستند یعنی مولفه DC سیگنال را حذف می کنند.
• کارت DAQ : می تواند دارای ده ها یا صدها کانال ورودی آنالوگ با محدوده های ورودی قابل انتخاب و گسترده (مثلاً از ±۱۰۰ میلی ولت تا ±۱۰ ولت یا بیشتر) باشد. ورودی ها می توانند DC-Coupled یا AC-Coupled باشند و از پیکربندی های تک سر (SE) و تفاضلی (DIFF) پشتیبانی می کنند. علاوه بر ورودی آنالوگ دارای کانال های دیجیتال (DIO) و شمارنده (Counter) نیز هست.
4. آماده سازی سیگنال :
• کارت صدا : قابلیت های آماده سازی سیگنال بسیار محدودی دارد (شاید یک پیش تقویت کننده ساده برای میکروفون).
• کارت DAQ : اغلب دارای مدارهای آماده سازی سیگنال داخلی (تقویت کننده های قابل برنامه ریزی فیلترها) است یا به راحتی با ماژول های آماده سازی سیگنال خارجی سازگار می شود (برای اتصال مستقیم به ترموکوپل ها کرنش سنج ها RTDها و…).
5. نرم افزار و درایور :
• کارت صدا : درایورها و نرم افزارهای آن برای کاربردهای صوتی (پخش موسیقی ضبط صدا بازی) طراحی شده اند.
• کارت DAQ : همراه با درایورهای قدرتمند (مانند NI-DAQmx, MCC DAQ Libraries) و APIهای برنامه نویسی برای زبان های مختلف (LabVIEW, Python, C++, MATLAB) عرضه می شود که امکان کنترل کامل بر فرآیند داده برداری همگام سازی کانال ها و تحلیل داده را فراهم می کنند.

بنابراین در حالی که کارت صدا می تواند برای پروژه های سرگرمی بسیار ساده (مثل ساخت یک اسیلوسکوپ صوتی ابتدایی) استفاده شود برای هرگونه اندازه گیری دقیق علمی یا صنعتی استفاده از کارت داده برداری اختصاصی ضروری است.

نقش نرم افزار در سیستم های داده برداری

سخت افزار DAQ به تنهایی فقط بخشی از معادله است. این نرم افزار است که به سخت افزار جان می بخشد و به کاربر اجازه می دهد تا داده ها را جمع آوری مشاهده تحلیل و مدیریت کند. نقش نرم افزار در یک سیستم DAQ چند وجهی است :

1. پیکربندی سخت افزار (Hardware Configuration) :
   • انتخاب کانال های فعال
   • تنظیم نوع ورودی (تفاضلی تک سر)
   • انتخاب محدوده ولتاژ ورودی/خروجی
   • تعیین نرخ نمونه برداری
   • تنظیم نوع تریگر (شروع داده برداری بر اساس یک شرط خاص)
   • پیکربندی کانال های دیجیتال و شمارنده ها
• نرم افزار به کاربر اجازه می دهد تا پارامترهای مختلف کارت DAQ را تنظیم کند مانند :
2. کنترل داده برداری (Acquisition Control) :
• نرم افزار فرآیند شروع (Start) توقف (Stop) و مدیریت جریان داده برداری را کنترل می کند. می تواند داده برداری را برای تعداد محدودی نمونه (Finite) یا به صورت پیوسته (Continuous) انجام دهد.
3. نمایش داده ها (Data Visualization) :
• یکی از قابلیت های کلیدی نرم افزار نمایش داده های جمع آوری شده به صورت زنده (Real-time) است. این کار معمولاً از طریق نمودارها (Graphs, Charts) نشانگرهای عددی (Numeric Indicators) یا نمایشگرهای گرافیکی (Gauges, Meters) انجام می شود. این به کاربر امکان می دهد تا بلافاصله وضعیت سیستم یا فرآیند تحت اندازه گیری را مشاهده و درک کند.
4. ذخیره سازی داده ها (Data Logging) :
• نرم افزار وظیفه دارد داده های جمع آوری شده را به طور مطمئن در فایل هایی روی دیسک سخت کامپیوتر ذخیره کند. فرمت های مختلفی برای ذخیره سازی وجود دارد از فایل های متنی ساده (مانند CSV) گرفته تا فرمت های باینری بهینه شده برای حجم و سرعت بالا (مانند TDMS یا فرمت های اختصاصی).
5. تحلیل و پردازش داده ها (Data Analysis & Processing) :
   • محاسبات آماری : میانگین انحراف معیار مقادیر حداقل و حداکثر.
   • فیلتر کردن دیجیتال : حذف نویز یا جداسازی مولفه های فرکانسی خاص.
   • تحلیل حوزه فرکانس : محاسبه تبدیل فوریه سریع (FFT) برای شناسایی فرکانس های غالب در سیگنال (مثلاً در تحلیل لرزش یا صدا).
   • برازش منحنی (Curve Fitting) : پیدا کردن مدل ریاضی برای داده ها.
   • تشخیص الگو و رویداد : شناسایی شرایط خاص در داده ها (مثلاً عبور از یک آستانه).
• نرم افزار می تواند قابلیت های قدرتمندی برای تحلیل داده ها چه به صورت زنده و چه پس از جمع آوری (Post-processing) ارائه دهد. این تحلیل ها می تواند شامل موارد زیر باشد :
6. ایجاد رابط کاربری (User Interface Development) :
• بسیاری از پلتفرم های نرم افزاری DAQ (مانند LabVIEW یا محیط های برنامه نویسی دیگر) به کاربر اجازه می دهند تا رابط های کاربری گرافیکی (GUI) سفارشی برای برنامه داده برداری و کنترل خود ایجاد کنند.

پلتفرم های نرم افزاری رایج :

• NI LabVIEW : یک محیط برنامه نویسی گرافیکی بسیار محبوب برای کاربردهای تست اندازه گیری و کنترل.
• MATLAB + Data Acquisition Toolbox : محیطی قدرتمند برای محاسبات عددی و تحلیل داده با قابلیت اتصال به سخت افزارهای DAQ مختلف.
• Python : با استفاده از کتابخانه هایی مانند PyDAQmx (برای سخت افزار NI) python-mcculw (برای Measurement Computing) یا کتابخانه های عمومی تر می توان برنامه های DAQ نوشت.
• نرم افزارهای اختصاصی سازندگان : بسیاری از تولیدکنندگان سخت افزار DAQ نرم افزارهای آماده (Out-of-the-box) یا SDKهای (Software Development Kits) خاص خود را ارائه می دهند (مانند DAQami یا TracerDAQ از Measurement Computing).

انتخاب نرم افزار مناسب به اندازه انتخاب سخت افزار اهمیت دارد و به عواملی مانند پیچیدگی کاربرد نیاز به تحلیل های خاص زبان برنامه نویسی مورد علاقه کاربر و بودجه بستگی دارد. 

منبع مقاله: https://ni-daq.ir

جمع بندی و نتیجه گیری کاربردی

کارت داده برداری (DAQ) یک جزء سخت افزاری حیاتی است که به عنوان مترجم بین دنیای فیزیکی و آنالوگ و دنیای دیجیتال کامپیوتر عمل می کند. اگرچه برای هر کامپیوتر شخصی معمولی ضروری نیست اما برای هر سیستمی که نیاز به اندازه گیری دقیق سیگنال های واقعی مانیتورینگ فرآیندها یا کنترل خودکار دارد کاملاً لازم و بنیادی است. از آزمایشگاه های تحقیقاتی گرفته تا خطوط تولید صنعتی از تست محصولات جدید تا پایش محیط زیست دستگاه های DAQ به کامپیوترها قدرت می دهند تا داده های معنی دار از دنیای اطراف جمع آوری کرده و بر اساس آن تحلیل تصمیم گیری و اقدام کنند.

درک اجزای یک سیستم DAQ (حسگر آماده سازی سیگنال سخت افزار DAQ رابط و نرم افزار) و مشخصات کلیدی آن (رزولوشن نرخ نمونه برداری تعداد و نوع کانال ها دقت) به شما کمک می کند تا قابلیت ها و محدودیت های این فناوری را بهتر بشناسید. انتخاب نوع دستگاه (داخلی خارجی دیتالاگر) و نرم افزار مناسب بستگی مستقیم به نیازمندی های کاربرد خاص شما دارد.