کارت داده برداری چیست و چگونه کارت مناسب خود را انتخاب کنیم؟

در این مقاله ابتدا به معرفی دقیق کارت داده‌برداری یا DAQ و انواع آن می‌پردازیم و سپس نکاتی را که باید هنگام انتخاب کارت DAQ در نظر گرفت، مطرح می‌کنیم.

تاریخچه کارت‌های جمع‌آوری داده

مفهوم جمع‌آوری داده به اواسط قرن بیستم باز می‌گردد، زمانی که ابزارهای آنالوگ مانند اسیلوسکوپ‌ها و ثبت‌کننده‌های نمودار (chart recorders) برای نظارت بر سیگنال‌های فیزیکی استفاده می‌شدند. با این حال، ظهور محاسبات دیجیتال در دهه ۱۹۶۰ نیاز به دستگاه‌هایی را که بتوانند سیگنال‌های آنالوگ را با سیستم‌های دیجیتال ارتباط دهند، برانگیخت. سیستم‌های اولیه DAQ حجیم و سفارشی‌سازی‌شده بودند و اغلب به قفسه‌های کامل تجهیزات برای انجام تبدیل و ثبت سیگنال‌های اولیه نیاز داشتند.

معرفی کامپیوترهای شخصی (PC) در دهه ۱۹۸۰

معرفی کامپیوترهای شخصی (PC) در دهه ۱۹۸۰ نقطه عطفی بود. شرکت‌هایی مانند National Instruments، که در سال ۱۹۷۶ تأسیس شد، پیشگام توسعه کارت‌های DAQ ماژولار شدند که می‌توانستند به اسلات‌های توسعه PC، مانند باس ISA (معماری استاندارد صنعتی)، متصل شوند. همچنین انتشار نرم‌افزار LabVIEW در سال ۱۹۸۶ این حوزه را با ارائه یک محیط برنامه‌نویسی گرافیکی برای کنترل سخت‌افزار DAQ متحول کرد و آن را برای مهندسان و دانشمندان بدون تخصص عمیق در برنامه‌نویسی قابل دسترس ساخت.

با پیشرفت فناوری PC، کارت‌های DAQ نیز تکامل یافتند. تحول در روش اتصال کارت‌ها به کامپیوتر از ISA به PCI (رابط اجزای جانبی) در دهه ۱۹۹۰، سرعت انتقال داده‌ها و پایداری سیستم را ارتقا داد. تا اینکه در دهه ۲۰۰۰، کارت‌های DAQ مبتنی بر USB ظهور کردند که قابلیت حمل و راحتی اتصال و پخش را ارائه می‌دادند. در حال حاضر، کارت‌های DAQ از طیف وسیعی از رابط‌ها، از جمله PCIe، اترنت و پروتکل‌های بی‌سیم پشتیبانی می‌کنند که نشان‌دهنده تقاضا برای سیستم‌های جمع‌آوری داده با سرعت بالا، انعطاف‌پذیر و شبکه‌ای است.

کارت داده‌برداری چیست؟

سیگنال‌های تولیدشده توسط حسگرها، که معمولاً به شکل ولتاژ، جریان یا فرکانس هستند، دارای ماهیتی آنالوگ و پیوسته‌اند، در حالی که کامپیوترها بر اساس سیستم دیجیتال عمل می‌کنند. به همین سبب، امکان اتصال مستقیم حسگرها به کامپیوتر وجود ندارد. کارت داده‌برداری (Data Acquisition Card)، که با نام‌هایی چون کارت DAQ، کارت نمونه‌برداری یا دیتالاگر نیز شناخته می‌شود، وظیفه دارد سیگنال آنالوگ خروجی از حسگرها را به داده‌های دیجیتال قابل درک برای کامپیوتر تبدیل کند.

فرآیند تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال نیازمند رعایت پیش‌نیازهایی است تا اطلاعات ارسال شده با کامپیوتر دارای کیفیت بالایی باشند. در ادامه به توضیح این موارد می‌پردازیم.

نحوه عملکرد کارت‌های جمع‌آوری داده

کارت‌های DAQ در هسته خود سیگنال‌های آنالوگ دریافتی از سنسورها را به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند که کامپیوترها بتوانند آن‌ها را پردازش کنند. این فرآیند شامل چندین مرحله کلیدی است که برای انتخاب کارت داده‌برداری مناسب باید در نظر گرفت:

مرحله اول: بررسی اندازه سیگنال ورودی در کارت داده‌برداری

کارت‌های DAQ مختلف دارای مشخصات متفاوتی هستند. دو مشخصه مهمی که در هنگام انتخاب کارت داده‌برداری اهمیت دارند: 1- بازه ولتاژ (یا جریان) ورودی قابل اندازه‌گیری و 2- رزولوشن (resolution) کارت داده‌برداری است.

بازه ولتاژ (جریان) ورودی قابل اندازه‌گیری:

کارت‌های داده‌برداری مختلف قابلیت اندازه‌گیری بازه‌های متفاوتی را دارند، مثلاً یک کارت داده‌برداری قابلیت اندازه‌گیری ولتاژ در بازه 10+/- ولت را دارد در حالی که یک کارت دیگر ممکن است قابلیت اندازه‌گیری ولتاژ در بازه 60+/- ولت را داشته باشد. این بازه در بعضی از کارت‌ها ثابت بوده و در بعضی از کارت‌های DAQ می‌توان این بازه را تغییر داد.

رزولوشن (Resolution)

رزولوشن (Resolution) در کارت داده‌برداری به معنای دقت یا توانایی دستگاه در شناسایی و ثبت تغییرات اندک در سیگنال ورودی است. به بیان دیگر، رزولوشن نشان‌دهنده‌ی حد تفکیک‌پذیری کارت در تبدیل سیگنال آنالوگ به مقادیر دیجیتال است و بیان می‌کند که این ابزار تا چه میزان قادر به تشخیص جزئیات سیگنال (مانند ولتاژ، جریان یا سایر کمیت‌های قابل اندازه‌گیری) می‌باشد.

رزولوشن در کارت‌های داده‌برداری معمولاً بر حسب تعداد بیت‌های مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) تعریف می‌شود. هر بیت نشان‌دهنده‌ی توانی از ۲ است که تعداد سطوح قابل تفکیک را مشخص می‌کند. برای نمونه:

• یک کارت با رزولوشن ۸ بیت، قابلیت تفکیک سیگنال به 256=8^2 سطح دارد.
• یک کارت با رزولوشن ۱۲ بیت، سیگنال را به 4096=12^2 سطح تقسیم می‌کند.

هرچه تعداد بیت‌ها افزایش یابد، رزولوشن بهبود یافته و دقت اندازه‌گیری بالاتر می‌رود.

مرحله دوم: مطلوب‌سازی سیگنال (Signal Conditioning)

مطلوب‌سازی سیگنال (Signal Conditioning) به مجموعه اقداماتی گفته می‌شود که روی سیگنال خام ورودی (مثل ولتاژ، جریان خروجی از سنسور) انجام می‌دهیم تا آن را برای مرحله‌ی داده‌برداری آماده کنیم. هدف اصلی مطلوب‌سازی سیگنال این است که کیفیت سیگنال را بالا ببرد، نویزها را کم کند و سیگنال را به شکلی تبدیل کند که با مشخصات کارت داده‌برداری (مثل محدوده‌ی ولتاژ یا رزولوشن) سازگار باشد.

مراحل اصلی مطلوب‌سازی سیگنال

1. تقویت (Amplification): در این مرحله، سیگنال ورودی که معمولاً شدت پایینی دارد، تقویت می‌شود تا به سطحی برسد که برای شناسایی و پردازش توسط کارت داده‌برداری مناسب باشد.
2. فیلتر کردن (Filtering): این مرحله به حذف نویزها و سیگنال‌های ناخواسته از سیگنال اصلی اختصاص دارد تا اطلاعات مفید و اصلی حفظ شود.
3. تنظیم سطح (Level Shifting): گاهی دامنه‌ی سیگنال ورودی خارج از محدوده‌ی قابل قبول کارت داده‌برداری است؛ در این حالت، سیگنال جابه‌جا می‌شود تا در بازه‌ی مناسب قرار گیرد.
4. خطی‌سازی (Linearization): برخی حسگرها دارای خروجی غیرخطی هستند؛ در این مرحله، سیگنال به گونه‌ای اصلاح می‌شود که رابطه‌ی خطی بین ورودی و خروجی برقرار شود و اندازه‌گیری دقیق‌تر گردد.
5. ایزولاسیون (Isolation): در این مرحله، سیگنال از نظر الکتریکی جدا می‌شود تا از آسیب به تجهیزات یا تداخل با سایر بخش‌های سیستم جلوگیری به عمل آید.

مرحله سوم: تبدیل آنالوگ به دیجیتال در کارت داده‌برداری

پس از انتخاب کارت DAQ مناسب و مطلوب‌سازی سیگنال متناسب با کارت داده‌برداری، فرآیند تبدیل آنالوگ به دیجیتال درون کارت DAQ اتفاق می‌افتد. تبدیل آنالوگ به دیجیتال (Analog-to-Digital Conversion یا ADC) فرآیندی است که طی آن سیگنال آنالوگ، که به صورت پیوسته در زمان و دامنه تغییر می‌کند (مانند ولتاژ خروجی یک سنسور)، به مقادیر دیجیتال که گسسته هستند تبدیل می‌شود. در نتیجه این تبدیل داده‌های دریافتی برای پردازش در سیستم‌های دیجیتال (کامپیوتر) محیا می‌شوند.

مراحل اصلی تبدیل آنالوگ به دیجیتال

1. نمونه‌برداری (Sampling): در این مرحله، سیگنال آنالوگ پیوسته در فواصل زمانی معین اندازه‌گیری می‌شود.
2. نگه‌داری (Holding): پس از نمونه‌برداری، مقدار سیگنال برای مدت کوتاهی ثابت نگه داشته می‌شود تا مبدل بتواند آن را پردازش کند.
3. کوانتیزاسیون (Quantization): در این مرحله، مقادیر پیوسته‌ی نمونه‌برداری‌ به مقادیر گسسته (پله‌های مشخص) تخصیص می‌یابد.
4. رمزگذاری (Encoding): مقدار کوانتیزه‌شده به یک کد دیجیتال (معمولاً در قالب باینری) تبدیل می‌شود تا برای سیستم‌های دیجیتال قابل استفاده باشد.

مرحله چهارم: انتقال اطلاعات به کامپیوتر

کارت‌های داده‌برداری (Data Acquisition Cards) برای اتصال به کامپیوتر و انتقال داده‌های جمع‌آوری‌شده از حسگرها یا تجهیزات به سیستم، از درگاه‌های مختلفی استفاده می‌کنند. انتخاب نوع درگاه به عواملی مانند سرعت انتقال اطلاعات، سازگاری با سیستم، و نوع کاربرد بستگی دارد.

انواع درگاه‌های رایج اتصال کارت داده‌برداری به کامپیوتر

1. درگاه USB (Universal Serial Bus): یکی از رایج‌ترین درگاه‌ها برای اتصال کارت‌های داده‌برداری به کامپیوتر است. این درگاه به صورت سریال (بیت به بیت) داده‌ها را منتقل می‌کند و در نسخه‌های مختلفی (مانند USB 2.0، USB 3.0 و USB-C) موجود است.
2. درگاه PCI (Peripheral Component Interconnect): یک درگاه داخلی است که کارت داده‌برداری مستقیماً به شکاف‌های موجود روی مادربرد کامپیوتر متصل می‌شود.
3. درگاه PCIe (PCI Express): نسخه‌ی پیشرفته‌تر درگاه PCI است که از خطوط سریال پرسرعت (Lanes) برای انتقال داده استفاده می‌کند و روی مادربردهای مدرن‌تر یافت می‌شود.
4. درگاه Ethernet (RJ45): این درگاه از طریق کابل شبکه (اترنت) کارت داده‌برداری را به کامپیوتر متصل می‌کند و معمولاً در سیستم‌های توزیع‌شده استفاده می‌شود.
5. درگاه سریال (Serial Port – RS-232/RS-485): یک درگاه قدیمی‌تر که داده‌ها را به صورت سریال منتقل می‌کند و هنوز در برخی کارت‌های داده‌برداری خاص استفاده می‌شود.
6. درگاه Thunderbolt: یک درگاه پرسرعت که معمولاً از کانکتور USB-C استفاده می‌کند و توسط شرکت اینتل معرفی شد.

مرحله پنجم: نمایش و پردازش اطلاعات دریافت‌شده از کارت داده‌برداری

نمایش و پردازش اطلاعات دریافتی از کارت داده‌برداری (Data Acquisition Card) فرآیندی است که طی آن داده‌های دیجیتال تولیدشده توسط کارت به شکلی قابل فهم و کاربردی برای کاربر یا سیستم تبدیل می‌شوند. این عملیات شامل مراحل مختلفی از دریافت data تا تحلیل و نمایش آن است و معمولاً با استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی یا برنامه‌های سفارشی انجام می‌شود.

مراحل نمایش و پردازش اطلاعات

1. دریافت داده‌ها (Data Acquisition): کارت داده‌برداری داده‌ها را از حسگرها جمع‌آوری کرده و پس از تبدیل آنالوگ به دیجیتال، آن‌ها را به کامپیوتر ارسال می‌کند.
2. ذخیره‌سازی اولیه (Buffering): داده‌های دریافتی معمولاً در حافظه‌ی موقت (Buffer) ذخیره می‌شوند تا از از دست رفتن اطلاعات در حین انتقال یا پردازش جلوگیری شود.
3. پردازش داده‌ها (Data Processing): در این مرحله، داده‌ها تحلیل می‌شوند. این پردازش می‌تواند شامل فیلتر کردن نویز، محاسبات ریاضی (مثل میانگین یا تبدیل واحدها)، یا استخراج ویژگی‌های خاص باشد.
4. نمایش داده‌ها (Data Visualization): اطلاعاتی که پردازش‌ شدند به صورت گرافیکی (مثل نمودار) یا متنی (مثل جدول) برای کاربر به نمایش در می‌آیند.
5. ذخیره‌سازی نهایی (Data Logging): در صورت نیاز، داده‌ها در فایل‌هایی مثل CSV، Excel یا پایگاه داده ذخیره می‌شوند تا برای تحلیل بعدی یا گزارش‌گیری در دسترس باشند.

جمع‌بندی

کارت داده‌برداری (Data Acquisition Card) ابزاری کلیدی در جمع‌آوری و تبدیل سیگنال‌های آنالوگ سنسورها به داده‌های دیجیتال قابل پردازش توسط کامپیوتر است. تاریخچه این فناوری از ابزارهای آنالوگ قرن بیستم آغاز شد. سپس با ظهور محاسبات دیجیتال در دهه ۱۹۶۰ و معرفی کامپیوترهای شخصی در دهه ۱۹۸۰ توسعه یافت. و به لطف شرکت‌هایی مانند National Instruments و نرم‌افزارهایی نظیر LabVIEW، به شکلی ماژولار و کاربرپسند تکامل یافت. این کارت‌ها که امروزه از درگاه‌های متنوعی پشتیبانی می‌کنند و با پیشرفت فناوری قابلیت‌های بیشتری مانند سرعت بالا، انعطاف‌پذیری و اتصال شبکه‌ای پیدا کرده‌اند.

انتخاب کارت داده‌برداری مناسب نیازمند توجه به عواملی چون بازه سیگنال ورودی، رزولوشن، نوع درگاه، و نیازهای کاربردی است. این ابزار با دقت و انعطاف‌پذیری خود، نقش مهمی در صنایع، تحقیقات علمی، و پروژه‌های مهندسی ایفا می‌کند. انتخاب صحیح کارت داده‌برداری می‌تواند هزینه‌ها را بهینه کرده و کارایی را افزایش دهد.