콤팩트 데이터 취득 시스템을 구축하는 방법

데이터 취득(DAQ)은 설계 검증 및 확인, 가속 수명 및 생산 테스트 등 다양한 연구 및 엔지니어링 활동의 핵심 기능입니다. DAQ 시스템의 핵심 요소는 센서, 측정 하드웨어, 소프트웨어로 간단하지만, 여기서부터 일이 복잡해질 수 있습니다.

이 시스템은 다양한 물리적 현상을 측정해야 하므로 견고하고 안정적이면서 유연하고 확장 가능해야 하며 비용은 항상 중요한 요소입니다. 따라서 DAQ 시스템을 지정하고 구축하는 것은 복잡합니다. 시스템을 과다 지정하면 많은 비용이 들고 사용하기 번거로울 수 있고, 부족하게 지정하면 현재 또는 이후 작업에 적합하지 않게 됩니다. 이러한 딜레마를 해결하기 위해 설계자는 여러 슬롯을 갖춘 견고한 고성능 섀시로 시작한 후 시간 경과에 따라 처리 성능, 기능, 연결을 추가해야 하는 경우에 슬롯을 이용하여 옵션을 추가하는 모듈식 접근 방식을 따를 수 있습니다.

이 기사에서는 아날로그 신호의 디지털화, 나이퀴스트 샘플링 정리 및 앨리어싱, 입력 범위, 샘플링 속도, 멀티플렉싱 샘플링과 동시 샘플링 비교 등 지정자가 알아야 하는 DAQ 시스템의 성능 지표를 검토합니다. 그런 다음 National Instruments의 CompactDAQ 섀시, 아날로그 및 디지털 I/O 모듈, 소프트웨어 구성 요소(개발 환경 선택, 드라이버, 분석/보고 도구 등)를 중심으로 모듈식 접근 방식을 살펴봅니다.

DAQ 요구 사항 및 성능 지표

앞서 언급한 대로 기본적인 수준의 DAQ는 센서, 신호 조정, 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 프로세서, 관련 소프트웨어로 구성됩니다(그림 1). 설계자가 해야 할 일은 비용 및 설정 시간을 철저히 관리하면서 측정 및 분석 중인 대상에 맞는 시스템 요소를 선택하는 것입니다.

그림 1: DAQ 시스템은 센서, DAQ 측정 장비(신호 조정 및 데이터 변환 제공), 컴퓨팅 리소스(드라이버 및 응용 소프트웨어 포함)로 구성됩니다. (이미지 출처: NI)

적합한 요소를 선택하려면 정밀도, 신호 진폭 및 진호 주파수가 DAQ 시스템의 기본 파라미터라는 사실을 이해해야 합니다. 이러한 파라미터는 각각 측정 분해능, 범위, 속도로 변환됩니다. 대부분의 경우 분해능이 가장 중요한 고려 사항입니다. 분해능은 사용 가능한 측정 값의 수를 정의합니다. 예를 들어 3비트 분해능 장치는 8개(2³)의 가능한 값을 측정할 수 있지만, 6비트 분해능 장치는 64개(2⁶)의 가능한 값을 측정할 수 있습니다(그림 2). 분해능이 높을수록 더 정확한 신호를 반영하는 측정값으로 변환됩니다.

그림 2: DAQ 장치에서 정밀도는 분해능으로 변환됩니다. 6비트 분해능 DAQ 장치는 3비트 분해능 장치보다 8배 더 많은 정보(8배 더 정밀)를 제공합니다. (이미지 출처: NI)

주어진 ADC는 설정된 입력 범위 전체(예: ±10V)를 측정하도록 설정되고 DAQ 장치의 분해능은 전체 범위에 적용됩니다. 더 작은 범위(예: ±2V)를 측정할 경우 DAQ 장치에 대해 지정된 분해능의 일부(이 경우 약 20%)에 불과한 측정값이 결과로 제공됩니다(그림 3). 입력 범위를 선택할 수 있는 DAQ 장치를 사용하여 이 문제를 해결할 수 있습니다. 일반적인 입력 범위는 ±10V, ±5V, ±1V 및 ±0.2V입니다. 입력 범위를 신호 범위에 맞게 조정하여 측정 품질을 높일 수 있습니다.

그림 3: 분해능이 3비트이고 범위가 ±10V(왼쪽의 빨간색 선: 범위의 상한, 노란색 점선: 하한)인 DAQ 장치를 사용하여 ±2V 신호(흰색 사인파)를 측정하면 정확도가 크게 저하됩니다. (이미지 출처: NI)

샘플링 속도, 나이퀴스트, 오버샘플링

샘플링 속도는 ADC에서 아날로그 입력을 디지털 데이터로 변환하는 속도입니다. 샘플링 속도와 분해능은 반비례 관계입니다. 속도가 높을수록 ADC에서 신호를 디지털화하는 데 걸리는 시간이 짧아지므로 샘플링 속도를 높이려면 대개 분해능의 비트 수를 줄여야만 합니다. 따라서 샘플링 속도를 최적화하는 것이 중요합니다.

여기서 나이퀴스트 샘플링 정리가 도움이 됩니다. 즉, 최대 신호 주파수를 2배 초과하는 샘플링 속도 f_s에서 원래 신호 주파수가 정확히 측정됩니다. 이를 나이퀴스트 주파수 f_N이라고 합니다. 원래 신호의 모양과 주파수를 정확히 측정하려면 나이퀴스트 정리에서 f_s를 최대 신호 주파수의 5배 ~ 10배로 지정해야 합니다. f_N보다 더 높은 샘플링 속도를 사용하는 것을 오버샘플링이라고 합니다.

f_s를 최적화하려면 f_N을 이해하는 동시에 앨리어싱 및 고스팅 문제를 해결해야 합니다. 앨리어싱은 샘플링 속도가 너무 낮아서 고주파 콘텐츠를 정확히 측정할 수 없을 때 샘플링되는 신호 스펙트럼에서 왜곡 현상을 일으키는 효과입니다. 오버샘플링은 앨리어싱을 제거할 수 있습니다. 오버샘플링은 빠른 신호 에지, 일회성 이벤트 및 과도현상을 캡처하는 데에도 유용합니다. 하지만 f_s가 너무 높을 경우 멀티플렉싱 샘플링 중에 고스팅 현상이 발생할 수 있습니다.

높은 멀티플렉싱 샘플링 속도에서는 각 입력 채널의 정착 시간이 중요한 요소가 됩니다. 샘플링 속도가 DAQ 장치의 정착 시간을 초과할 경우 고스팅 현상이 발생합니다. 이 지점에서 인접 채널의 신호가 간섭을 일으켜서 고스팅 현상이 발생하고 부정확한 측정으로 이어집니다(그림 4).

그림 4: 왼쪽에서는 샘플링 속도가 낮아서 채널 0(빨간색)과 채널 1(파란색) 사이의 측정을 적절히 정착할 수 있지만, 오른쪽에서는 샘플링 속도가 너무 높고 채널 0이 채널 1의 측정에 영향을 주어서 고스팅 현상이 발생합니다. (이미지 출처: NI)

DAQ 장치의 유효 샘플링 속도는 선택하는 아키텍처(동시 또는 멀티플렉싱)에 따라 달라집니다. 동시 샘플링에서는 입력 채널당 하나의 ADC를 사용하고 채널 수에 상관없이 모든 채널에서 전체 샘플링 속도를 제공합니다(그림 5).

동시 샘플링을 사용하면 한 번에 여러 샘플을 취득할 수 있습니다. 동시 아키텍처는 상대적으로 비싸고 단일 DAQ 장치에서 사용 가능한 채널 수를 제한할 수 있는 구성 요소를 더 많이 포함합니다. 멀티플렉싱 아키텍처에서는 멀티플렉서(mux)가 모든 채널에서 단일 ADC를 공유하는 데 사용되어 각 채널에 사용 가능한 최대 속도를 줄입니다. 샘플은 연속으로 취득되며 채널 간에 지연이 있습니다. 멀티플렉싱 아키텍처는 비용이 더 저렴하고 채널 밀도가 높은 DAQ 장치에서 유용할 수 있습니다.

그림 5: 동시 샘플링은 모든 채널에서 전체 데이터 전송률을 제공하고, 멀티플렉싱 샘플링에서는 모든 채널 간에 전체 샘플링 속도가 공유되므로 채널당 속도가 더 낮습니다. (이미지 출처: NI)

콤팩트 DAC 시스템 구축

DAC 시스템을 구축하는 첫 번째 단계는 CompactDAQ 섀시를 선택하는 것입니다. 섀시는 PCI 및 PCI Express(PCIe), 고속 USB, PXI 및 PXI Express(PXIe), 이더넷 2.0 등 다양한 통신 버스와, NI의 C 계열 I/O 모듈을 위한 1개 ~ 14개 슬롯에서 사용할 수 있습니다. 예를 들어 781156-01에는 8개의 슬롯과 USB 2.0 인터페이스가 있습니다(그림 6). 간단히 모듈을 연결하여 측정 유형과 채널을 시스템에 추가할 수 있습니다. 모든 모듈은 자동으로 감지되며 섀시 후면판에 있는 시계와 동기화됩니다.

그림 6: 781156-01 CompactDAQ 섀시에는 8개의 슬롯과 USB 2.0 고속 인터페이스가 있습니다. (이미지 출처: NI)

통신 버스는 섀시 사양의 중요한 일부입니다(표 1). USB에서 제공되는 60Mbits/s는 대부분의 응용 분야에 적합하고, USB는 유연성과 휴대성이 우수합니다. 이더넷은 물리적으로 큰 응용 분야에서 더 긴 케이블 길이와 분산된 DAQ 시스템을 지원할 수 있습니다. PCI 및 PCIe 버스를 사용하면 데이터 로깅 및 분석을 위해 장치를 데스크톱 컴퓨터에 연결할 수 있습니다. PXI 및 PXIe 버스는 PCI 및 PCIe와 비슷하지만 더 우수한 동기화 기능을 제공하여 대량의 데이터를 통합 및 비교할 수 있습니다.

표 1: DAQ 통신 버스 선택은 섀시 선택의 중요한 부분입니다. 필요한 데이터 전송 속도와 거리를 지원하고 휴대성 요구 사항을 충족하는 버스를 선택해야 합니다. (이미지 출처: NI)

섀시를 선택한 후 설계자는 측정, 제어 및 통신 응용 분야에 적합한 60개 이상의 C 계열 모듈 중에서 선택할 수 있습니다. C 계열 모듈은 거의 모든 센서 또는 버스에 연결할 수 있고 DAQ 및 제어 응용 분야의 요구를 충족하는 높은 측정 정확도를 지원합니다(그림 7). 이러한 핫스왑 가능 모듈은 잡음을 필터링하고 데이터를 분리하기 위한 측정별 신호 조정, 아날로그 디지털 변환 및 다양한 입력 커넥터를 제공합니다.

그림 7: C 계열 모듈은 공통 폼 팩터를 제공하고, CompactDAQ 섀시에 핫플러그 가능하고, 다양한 응용 분야의 요구 사항을 충족하는 다양한 입력 커넥터를 제공합니다. (이미지 출처: NI)

C 계열 모듈은 많은 DAQ에서 사용되며 다음과 같은 기능을 제어할 수 있습니다.

• 아날로그 입력 모듈은 온도, 소리, 변형률, 압력, 부하, 진동 등을 측정하기 위해 전압, 전류 및 일반 센서와의 연결을 지원하는 최대 16개 채널을 제공합니다.
  • NI 9239는 4채널 범용 아날로그 입력 모듈입니다. 각 채널은 24비트 분해능에서 ±10V 측정 범위를 제공하고 최대 샘플링 속도에서 50kS/s의 데이터를 출력합니다.
• 아날로그 출력 모듈은 2채널, 4채널 및 16채널로 제공되며 전압 신호를 생성하고 산업용 전동 액추에이터를 제어하는 데 사용될 수 있습니다.
  • NI 9263은 미국 국립표준기술원(NIST) 추적 가능 보정과 과전압 보호, 단락 보호, 빠른 슬루율, 높은 정확성을 지원하는 4채널 아날로그 출력 모듈입니다.
• 디지털 입력 및 출력 모듈은 디지털 신호를 생성하고 판독하는 데 사용될 수 있습니다. 디지털 입력 모듈은 4채널, 6채널, 8채널, 16채널 및 32채널로 제공되며 출력 및 양방향 모듈은 8채널, 16채널 및 32채널로 제공됩니다.
  • NI 9423은 24V 신호와 호환되는 8채널 디지털 입력 모듈이며 산업용 논리 레벨 및 신호를 사용하여 산업용 스위치, 트랜스듀서, 센서 및 기타 장치 어레이에 직접 연결하도록 설계되었습니다.
  • NI 9472는 6V ~ 30V 신호와 호환되는 8채널 디지털 출력 모듈이며 액추에이터, 계전기, 모터와 같은 다양한 산업용 장치에 직접 연결할 수 있습니다.

소프트웨어 통합

콤팩트 DAQ 시스템을 구축하는 최종 단계는 소프트웨어입니다. NI-DAQmx 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)는 LabVIEW, C, C#, Python 등 다양한 개발 옵션과 직접 연동됩니다. 이 API는 모든 NI DAQ 장치에서 원활한 작동을 지원하고 하드웨어 업그레이드 또는 변경에 따른 재개발 작업을 최소화하며, 설명서, 도움말 파일 및 즉시 실행 가능한 다양한 소프트웨어 사례에 액세스하여 애플리케이션 개발을 바로 시작할 수 있도록 지원합니다.

개발자는 각 프로젝트에 필요한 프로그래밍 수준에 전화 접속할 수 있습니다(그림 8). FlexLogger 데이터 로깅 소프트웨어는 맞춤형 분석을 위해 NI의 LabVIEW에 통합할 수 있는 직관적인 센서 중심 구성 개발 환경을 제공합니다. LabVIEW를 활용하면 대화식 분석 패널을 사용하거나 전체 기능을 갖춘 프로그래밍 환경에서 하드웨어를 구성할 수 있습니다. 고급 개발자는 대부분의 프로그래밍 언어를 사용하여 사용자 정의 및 성능에 적합한 DAQmx API에 직접 연결할 수 있습니다.

그림 8: DAQ 소프트웨어 선택 흐름도는 개발자가 각 프로젝트에 대해 수행하려는 프로그래밍 수준에서 전화 접속하는 방법을 보여줍니다. (이미지 출처: NI)

결론

DAQ를 처음부터 설계하는 것은 복잡한 작업입니다. 센서, 신호 조정, 처리, I/O 및 소프트웨어가 작업 요건을 충족하고 시간의 경과에 따라 수정 및 업그레이드할 수 있어야 합니다. 여러 요소를 함께 결합하는 대신 개발자는 모듈식 접근 방식에 따라 센서, 하드웨어, 소프트웨어를 포함하는 콤팩트 DAQ 시스템을 빠르고 효과적으로 설계할 수 있습니다. 모든 요소는 시간 경과에 따라 응용 제품의 요구 사항이 변경될 경우 교체할 수 있습니다.

또한 이 기사에서 살펴본 접근 방식은 PCI 및 PCIe, 고속 USB, PXI 및 PXIe, 이더넷 2.0을 비롯하여 특정 시스템 요구 사항을 충족하는 다양한 통신 버스를 지원합니다. 이 방식에서는 핫스왑 가능 모듈을 사용하여 잡음을 필터링하고 데이터를 분리하기 위한 측정별 신호 조정, 아날로그 디지털 변환 및 입력 커넥터 스타일 옵션을 제공합니다. 또한 이 방식은 유연하며 LabVIEW, C, C#, Python을 비롯한 다양한 측정 소프트웨어와 통합될 수 있습니다.

추천 자료

1. How to design general-purpose multichannel data acquisition system