Σχεδιασμός συστημάτων απόκτησης δεδομένων πολλαπλών καναλιών για πανεπιστημιακά ερευνητικά έργα

Στη σύγχρονη πανεπιστημιακή έρευνα, τα δεδομένα είναι η αιμοφόρα της ανακάλυψης.την ικανότητα συλλογής ακριβώνΤα συστήματα πολυκαναλικής συλλογής δεδομένων (DAQ) έχουν καταστεί ακρογωνιαίος λίθος των ακαδημαϊκών πειραματισμών.να επιτρέπουν στους ερευνητές να καταγράφουν σύνθετα φαινόμενα σε πραγματικό χρόνο.

Γιατί το πολυκαναλικό DAQ έχει σημασία στην ακαδημία

Η πανεπιστημιακή έρευνα συχνά περιλαμβάνει:

• Πολλαπλούς αισθητήρεςμέτρηση διαφόρων παραμέτρων (θερμοκρασία, πίεση, πίεση, τάση κλπ.)
• Σύγχρονη απόκτησηγια τη διατήρηση των χρονικών σχέσεων μεταξύ των σημάτων
• Υψηλά ποσοστά δειγματοληψίαςγια φαινόμενα ταχείας αλλαγής
• Μεταβαλλόμενες αρχιτεκτονικέςνα προσαρμόζεται στις εξελισσόμενες ανάγκες του έργου

Ένα καλά σχεδιασμένο σύστημα DAQ πολλαπλών καναλιών διασφαλίζει ότι δεν χάνεται κανένα κρίσιμο δεδομένο και ότι τα συλλεγόμενα σήματα παραμένουν ακριβή, συγχρονισμένα και έτοιμα για ανάλυση.

Κεντρικές Σκεφτήριες Σχεδιασμού

1.Αριθμός καναλιών και επεκτασιμότητα

• Ξεκινήστε με τον αριθμό των αισθητήρων που απαιτούνται για το τρέχον έργο, αλλά σχεδιάστε για επέκταση.
• Οι αρθρωτές αρχιτεκτονικές επιτρέπουν την προσθήκη περισσότερων καναλιών χωρίς να ανασχεδιάζεται ολόκληρο το σύστημα.

2.Ταχύτητα δειγματοληψίας και ανάλυση

• Αντιστοιχεί η ταχύτητα δειγματοληψίας με το ταχύτερο ενδιαφέρον σήμα (κριτήριο Nyquist).
• Η υψηλότερη ανάλυση (π.χ. 16bit ή 24bit ADC) βελτιώνει την ακρίβεια της μέτρησης, ειδικά για σήματα χαμηλού πλάτους.

3.Συγχρονισμός

• Χρησιμοποιήστε ADC ταυτόχρονης δειγματοληψίας ή ακριβή κατανομή ρολογιού για να διασφαλιστεί ότι όλα τα κανάλια είναι ευθυγραμμισμένα με τον χρόνο.
• Σε εφαρμογές όπως η ανάλυση των δονήσεων ή το EEG, ακόμη και μια ακατάταξη σε επίπεδο μικροδευτερόλεπτου μπορεί να στρεβλώσει τα αποτελέσματα.

4.Προετοιμασία σήματος

• Συμπεριλάβετε την ενίσχυση, το φίλτρο και την απομόνωση για την προστασία του υλικού DAQ και τη βελτίωση της ποιότητας του σήματος.
• Τα κυκλώματα προετοιμασίας προσαρμόζονται στον τύπο αισθητήρα· τα θερμοσύντομα, οι μετρητές ελαστικότητας ή οι φωτοδιόδοι έχουν διαφορετικές ανάγκες.

5.Πληροφοριακή ροή και αποθήκευση

• Τα συστήματα υψηλού αριθμού καναλιών παράγουν μεγάλους όγκους δεδομένων.0, PCIe, Ethernet) μπορεί να χειριστεί το φορτίο.
• Εφαρμόστε μπουφέρισμα και συμπίεση σε πραγματικό χρόνο για την πρόληψη της απώλειας δεδομένων.

6.Ενσωμάτωση λογισμικού

• Παροχή ευέλικτων API και εργαλείων GUI για οπτικοποίηση, καταγραφή και ανάλυση δεδομένων.
• Η υποστήριξη για MATLAB, LabVIEW ή Python μπορεί να επιταχύνει τις ροές εργασίας έρευνας.

Παράδειγμα: FPGA-based Multi-Channel DAQ σε εργαστήριο πανεπιστημίου

Μια ερευνητική ομάδα απόφοιτων που αναπτύσσει ένα σύστημα ακουστικής τοποθέτησης σχεδίασε ένα16 κανάλια DAQ με βάση το FPGA:

• Υλικό:TI ADS52J90 ADC + Xilinx Kintex UltraScale FPGA
• Ποσοστό δειγματοληψίας:100 MSPS ανά κανάλι
• Αρχιτεκτονική:Επεξεργασία σε τσιπ για τη μείωση της καθυστέρησης
• Αποτέλεσμα:Η πραγματική χρονική διαμόρφωση δέσμης και η τοπική τοποθέτηση της πηγής με ακρίβεια κάτω του βαθμού

Η προσέγγιση αυτή ελαχιστοποίησε τις καθυστερήσεις μετάδοσης σήματος και επέτρεψε την ταυτόχρονη επεξεργασία όλων των καναλιών, κρίσιμη για πειράματα που απαιτούν συνοχή φάσης.

Εφαρμογές σε Πολλές Επιστήμες

• Μηχανική:Παρακολούθηση της δομικής υγείας των γεφυρών και των κτιρίων
• Περιβαλλοντικές επιστήμες:Ανάλυση ποιότητας νερού με πολλαπλές παραμέτρους
• Βιοϊατρική έρευνα:Αγορά σήματος EEG, ECG και EMG
• Φυσική:Ανίχνευση σωματιδίων και συγχρονισμός υψηλής ταχύτητας απεικόνισης

Μελλοντικές τάσεις στα ακαδημαϊκά συστήματα DAQ

• Ασύρματη πολυκαναλική εξαγοράγια την έρευνα πεδίου
• Επεξεργασία σήματος με υποστήριξη τεχνητής νοημοσύνηςγια ανίχνευση ανωμαλιών σε πραγματικό χρόνο
• DAQ συνδεδεμένο με το σύννεφογια συνεργατικά πειράματα σε πολλές τοποθεσίες
• Σχεδιασμοί χαμηλής ισχύοςγια μακροπρόθεσμες αυτόνομες αναπτύξεις

Συμπεράσματα

Στην πανεπιστημιακή έρευνα, ένα σύστημα DAQ πολλαπλών καναλιών είναι κάτι περισσότερο από ένα κομμάτι υλικού· είναι η γέφυρα μεταξύ του φυσικού κόσμου και των ψηφιακών ιδεών που οδηγούν στην καινοτομία.Με προσεκτική ισορροπία του αριθμού των καναλιών, δειγματοληψία των επιδόσεων, συγχρονισμός και ενσωμάτωση λογισμικού, οι ακαδημαϊκές ομάδες μπορούν να δημιουργήσουν συστήματα που όχι μόνο ανταποκρίνονται στις σημερινές ανάγκες του έργου, αλλά και προσαρμόζονται στις προκλήσεις του αύριο.