データ​収集​の​概要

概要

本​チュートリアル​は、​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​「計測​の​基本」​シリーズ​の​一部​です。​理論​の​説明​と​実用​的​な​サンプル​により、​一般​的​な​計測​アプリケーション​の​特定​の​トピック​について​ご​紹介​し​ます。 本​チュートリアル​は、​コンピュータ​ベース​の​データ​集録​システム​の​基本​要素​を​取り上げ​ます。

「計測​の​基本」​シリーズ​の​その他​の​チュートリアル​を​ご覧​に​なる​に​は、​同​シリーズの「DAQmx 入門」に​アクセス​し​て​くだ​さい。

コンテンツ

はじめに

データ​収集​に​は、​計測​ソース​から​の​信号​の​収集​や、​PC​上​で​の​保存/​解析/​表示​を​目的​と​した​信号​の​デジタル​化​が​含​まれ​ます。 データ​収集​(DAQ)​システム​は、​システム​の​柔軟性​を​実現​する​ため、​多様​な​PC​技術​形式​で​提供​さ​れ​ます。 エンジニア​や​研究者​は、​テスト/​計測/​オートメーション​アプリケーション​向け​の​データ​収集​形式​として、​PCI、​PXI、​PCI Express、​PCMCIA、​USB、​ワイヤレス​および​イーサネット​から​選択​でき​ます。 基本​的​な​DAQ​システム​の​構築​時に​考慮​すべ​き​点​は、​以下​の​5​つ​です。
​• トランスデューサ​と​センサ
​• 信号
​• 信号​調節
​• DAQ​ハードウェア
​• ドライバ​と​アプリケーション​ソフトウェア

 

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トランスデューサ

データ​収集​は、​計測​対象​で​ある​物理​現象​から​始まり​ます。 物理​的​な​現象​に​は、​部屋​の​温度、​光​の​強度、​チャン​バー​内​の​圧力、​オブジェクト​に​作用​する​力​など、​様々​な​もの​が​あり​ます。 効果​的​な​DAQ​システム​は、​このように​多様​な​現象​を​すべて​計測​する​こと​が​可能​です。

​トランスデューサ​は、​物理​的​な​現象​を​電圧​や​電流​など​測定​可能​な​電気​信号​に​変換​する​デバイス​です。 様々​な​物理​的​現象​を​測定​する​DAQ​システム​の​能力​は、​現象​を​DAQ​ハードウェア​で​計測​可能​な​信号​に​変換​する、​トランスデューサ​に​か​かって​い​ます。 トランスデューサ​は、​DAQ​システム​内​の​センサ​と​同様​の​働き​を​し​ます。 温度、​圧力、​流量​の​測定​など、​様々​な​アプリケーション​に​特​化​した​トランスデューサ​が​あり​ます。 表​1​は、​一般​的​な​現象​と、​それらの​計測​に​使用​さ​れる​トランスデューサ​の​例​です。

表​1. 物理​的​な​現象​と​一般​的​な​トランスデューサ
現象 トランスデューサ
温度 熱電​対、​測​温​抵抗​体​(RTD)、​サーミスタ
光​導電​素子
マイクロホン
応力/​圧力 歪み​ゲージ、​圧​電​素子
位置/​変位 ポテンショメータ、​線形​電圧​作動​変圧​器​(LVDT)、​光学​エンコーダ
加速度 加速度計
pH pH​電極

トランスデューサ​ごと​に、​物理​的​現象​を​電気​信号​に​変換​する​方法​は​異​なり​ます。 トランスデューサ​の​なかには、​励起​電圧/​電流​が​必要​な​もの​も​あり​ます。 また、​信号​の​生成​に、​追加​の​コンポーネント​や​抵抗​構成​を​必要​と​する​トランスデューサ​も​あり​ます。 トランスデューサ​の​詳細​について​は、ni.com/​sensorsを​参照​し​て​くだ​さい。

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信号

適切​な​トランスデューサ​は、​物理​的​現象​を​測定​可能​な​信号​に​変換​し​ます。 ただし、​測定​方法​は​信号​によって​異​なり​ます。 この​ため、​信号​の​種類​と​属性​について​理解​する​こと​は​重要​です。 信号​は​以下​の​2​つ​に​分類​さ​れ​ます。

  • アナログ
  • デジタル

アナログ​信号

アナログ​信号​は、​時間​経過​に​伴​って​値​が​変化​し​ます。 アナログ​信号​の​例​に​は、​電圧、​温度、​圧力、​音、​負荷​など​様々​な​もの​が​あり​ます。 アナログ​信号​の​3​つ​の​主要​な​特性​は、​レベル、​形状、​周波数​です​(図​2)。


図​2. アナログ​信号​の​主要​な​特性


レベル
​アナログ​信号​は​任意​の​値​を​取る​ので、​レベル​は、​計測​さ​れ​た​アナログ​信号​の​非常​に​重要​な​情報​に​なり​ます。 光​の​強度、​部屋​の​温度、​チャン​バー​内​の​圧力​は​すべて、​信号​の​レベル​の​重要性​を​示す​例​です。 通常​は、​信号​の​レベル​測定​では、​信号​が​時間​の​経過​に​伴​って​急速​に​変化​する​こと​は​ほとんど​ありま​せん。 ただし、​計測​の​確度​は​非常​に​重要​です。 アナログ​信号​の​レベル​測定​において​は、​最高​の​確度​を​実現​する​DAQ​システム​を​選択​する​必要​が​あり​ます。

形状
​信号​の​なかには、​正弦波、​方形​波、​ノコギリ​波、​三角波​など、​その​形状​に​ち​なん​だ​名前​で​呼​ばる​もの​が​あり​ます。 形状​の​計測​により、​ピーク​値、​DC​値、​スロープ​など、​信号​の​さらなる​解析​を​行う​こと​が​できる​ため、​アナログ​信号​の​形状​は​レベル​と​同様​に​重要​です。 通常、​形状​が​重要​に​なる​信号​は​時間​経過​に​伴​って​急速​に​変化​し​ます​が、​システム​の​確度​は​依然として​重要​です。 心臓​の​鼓動、​ビデオ​信号、​音、​振動、​回路​の​応答​性​の​解析​を​行う​アプリケーション​は、​形状​の​計測​を​伴う​アプリケーション​の​例​です。

周波数
​すべて​の​アナログ​信号​は、​周波数​によって​分類​する​こと​が​でき​ます。 信号​の​レベル​や​形状​と​は​異​なり、​周波数​は​直接​計測​でき​ま​せん。 周波数​情報​を​取得​する​に​は、​ソフトウェア​を​使用​し​て​信号​を​解析​する​必要​が​あり​ます。 解析​は、​通常、フーリエ​変換と​呼ばれる​アルゴリズム​を​使用​し​て​行い​ます。

​周波数​が​最も​重要​な​情報​で​ある​場合、​確度​と​収集​速度​の​両方​を​考慮​する​必要​が​あり​ます。 周波数​の​収集​速度​は​形状​取得​に​必要​な​速度​より​も​遅い​ですが、​信号​の​収集​は​アナログ​信号​の​収集​中​に​関連​情報​が​損失​しない​程度​の​速度​で​実行​さ​れる​必要​が​あり​ます。 この​速度​を​保証​する​状態​が、​ナイキスト​の​サンプリング​定理​です。 音声​解析、​電気​通信、​地震​解析​は、​信号​の​周波数​が​求め​られる​一般​的​な​アプリケーション​の​例​です。


デジタル​信号

​デジタル​信号​は、​時間​経過​に​伴​って​値​が​変化​しま​せん。 デジタル​信号​に​は、​ON​または​OFF​の​どちら​か​の​状態​しか​ありま​せん。 通常、​デジタル​信号​は、​信号​の​特性​を​定義​する​特定​の​仕様​に​適合​し​ます。 デジタル​信号​は、​一般​的​に​トランジスタ - トランジスタ​論理​回路​(TTL: Transistor-​to-​Transistor Logic)​信号​と​呼​ば​れ​ます。 TTL​信号​の​仕様​では、​0​~​0.8 V​間​の​電圧​レベル​を​論理​LOW、​2​~​5 V​間​の​電圧​レベル​を​論理​HIGH​として​定義​し​てい​ます。 デジタル​信号​から​測定​さ​れる​有益​な​情報​は、​状態​と​レート​です​(図​3)。


図​3. デジタル​信号​の​主要​な​特性

状態
​デジタル​信号​は、​時間​経過​に​伴​って​値​が​変化​しま​せん。 デジタル​信号​の​状態​は、​ON​か​OFF、​HIGH​か​LOW​として​信号​の​レベル​を​表​わし​ます。 スイッチ​の​開閉​監視​は、​デジタル​信号​の​状態​認識​の​重要性​を​示す​一般​的​な​アプリケーション​です。

レート
​デジタル​信号​の​レート​は、​時間​の​経過​に​伴​って​デジタル​信号​が​どの​よう​に​変化​する​か​を​定義​し​ます。 デジタル​信号​の​レート​を​計測​する​例​として、​モーター​の​シャフト​の​回転​速度​の​測定​が​挙​げ​ら​れ​ます。 周波数​と​は​異​なり、​デジタル​信号​の​レート​は、​信号​の​一部分​が​発生​する​頻度​を​計測​し​ます。 信号​の​レート​を​求める​際​に、​ソフトウェア​の​アルゴリズム​は​必要​ありま​せん。

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信号​調節

DAQ​デバイス​が​直接​計測​する​に​は​非常​に​困難、​あるいは​危険​な​信号​を​トランスデューサ​が​生成​する​場合​が​あり​ます。 例えば、​高​電圧、​ノイズ​の​多い​環境、​非常​に​高い/​低い​信号、​同時​信号​の​計測​を​行う​場合、​効果​的​に​データ​収集​を​行う​に​は​信号​調整​が​不可欠​です。 信号​調節​により、​システム​の​確度​が​最大限​に​高まり、​センサ​が​適切​に​動作​し、​安全​性​が​保証​さ​れ​ます。

信号​調節​用​の​適切​な​ハードウェア​を​選択​する​こと​は​重要​です。 信号​調節​は、​モジュール​式​と​統合​型​の​両方​で​提供​さ​れ​ます​(図​4)。 信号​調節​アクセサリ​は、​以下​の​様々​な​アプリケーション​で​使用​さ​れ​ます。

  • 増幅
  • 減衰
  • 絶縁
  • ブリッジ​構成
  • 同時​サンプリング
  • センサ​励起
  • マルチプレクス

信号​調節​において​考慮​すべ​き​その他​の​重要​な​基準​に​は、​梱包​(モジュール​式​か​統合​型​か)、​性能、​I/​O​カウント、​上級​機能、​コスト​が​あり​ます。   オンライン​ツール(信号​調節​製品​の​比較)​を​使用​し​て、​アプリケーション​に​最適​な​信号​調節​方法​を​検討​し​て​くだ​さい。

図​4. 信号​調整​ハードウェア​オプション

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DAQ​ハードウェア

DAQ​ハードウェア​は、​コンピュータ​と​外部​の​間​の​インタフェース​として​動作​し​ます。 主に、​アナログ​入力​信号​を​デジタル​化​し​て​コンピュータ​が​解釈​できる​よう​に​する​デバイス​として​機能​し​ます。 データ​収集​機能​に​は​他​に​も、​以下​の​よう​な​もの​が​あり​ます。

  • アナログ​入力/​出力
  • デジタル​入力/​出力
  • カウンタ/​タイマ
  • マルチ​ファンクション:​単一​デバイス​上​で、​アナログ、​デジタル、​カウンタ​操作​を​組み合わせ​て​実行

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​は、​データ​収集​用​ハードウェア​プラットフォーム​を​多数​提供​し​てい​ます。 最も​入手​し​やすい​プラットフォーム​は、​デスク​トップ​コンピュータ​です。 ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​は、​任意​の​デスク​トップ​コンピュータ​に​差し込み​可能​な​PCI DAQ​ボード​を​提供​し​てい​ます。 さらに、​計測​および​オートメーション​アプリケーション​向け​の​堅固​な​モジュール​式​コンピュータ​プラットフォーム​で​ある​PXI/​CompactPCI​用​の​NI DAQ​モジュール​を​提供​し​てい​ます。 分散​型​計測​向け​に​は、​モジュール​式​I/​O、​組み込み​操作、​イーサネット​通信​を​実現​する​NI Compact FieldPoint​プラットフォーム​を​提供​し​てい​ます。 携帯​型​計測​の​分野​において​は、​ノート​パソコン​や​Windows Mobile PDA​で​動作​する​USB​および​PCMCIA​向け​NI DAQ​デバイス​を​提供​し​てい​ます​(図​5)。 さらに、​PCI Express、​次世代​PC I/​O、​PXI Express、​高性能​PXI​バス​用​の​DAQ​デバイス​も​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​から​リリース​さ​れ​てい​ます。

図​5. DAQ​ハードウェア​オプション

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​最新​DAQ​デバイス​は、​無線​および​ケーブル​接続​さ​れ​た​イーサネット​経由​で​の​接続​が​可能​です。 NI Wi-​Fi​データ​収集​デバイス​(DAQ)​は、​IEEE 802.11​ワイヤレス​または​イーサネット​通信、​直接​センサ​接続、​および​NI LabVIEW​ソフトウェア​の​柔軟性​を​組み合わせ​て、​電気​信号、​物理​信号、​機械​的​信号、​および​音響​信号​の​リモート​監視​を​実現​し​ます。

Wi-​Fi DAQ​クイック​ガイド​ビデオ​を​見る

図​6. Wi-​Fi​データ​収集

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ドライバ​と​アプリケーション​ソフトウェア

ドライ​バ​ソフトウェア

​ソフトウェア​は、​PC​と​DAQ​ハードウェア​を​完全​な​データ​収集/​解析/​表示ツールに変化させます。 ソフトウェア​を​用​い​て​ハードウェア​を​制御​または​駆動​さ​せ​ない​と、​DAQ​デバイス​は​適切​に​動作​しま​せん。 ドライ​バ​ソフトウェア​は、​ハードウェア​と​簡単​に​通信​する​ため​の​ソフトウェア​の​層​の​1​つ​です。 アプリケーション​ソフトウェア​と​ハードウェア​の​間​の​中間​層​にあたります。 ドライ​バ​ソフトウェア​は​また、​ハードウェア​機能​に​アクセス​する​ため​に、​開発者がレジスタレベルのプログラミングを行ったり複雑なコマンドを使用することを防ぎます。 ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​は、​2​つ​の​ソフトウェア​オプション​を​提供​し​てい​ます。

NI-​DAQmx​の​導入​により、​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​は、​プログラム​構築​から​高性能​計測​アプリケーション​の​開発​まで​の​スピード​を​大幅​に​向上​させる​こと​により、​DAQ​アプリケーション​開発​に​革新​を​も​たら​しま​した。 NI-​DAQmx​など​の​DAQ​アシスタント​は、​構成、​テスト、​計測​データ​の​収集​を​行う​対話​式​の​グラフィカル​ガイド​です。 マウス​クリック​により、​構成内容に基づいたコードが生成され、​複雑​な​操作​の​開発​を​素​早く​簡単​に​行う​こと​が​でき​ます。 DAQ​アシスタント​は​すべて​メニュー​選択​形式​で​ある​ため、​プログラミング​エラー​が​減​り、​DAQ​システム​を​セットアップ​し​て​最初​の​計測​を​開始​する​まで​の​時間​が​大幅​に​削減​さ​れ​ます。

NI-​DAQmx Base​に​は、​Windows/​Linux/​Mac OS X/​Windows Mobile/​Windows CE​用​NI-​DAQmx​の​一部​の​機能​のみ​が​搭載​さ​れ​てい​ます。

アプリケーション​ソフトウェア

アプリケーション​層​は、​特定​の​基準​を​満たす​カスタム​アプリケーション​を​構築​する​開発​環境、​または​プリセット​機能​を​持つ​構成​ベース​の​プログラム​に​なり​ます。 アプリケーション​ソフトウェア​は、​ドライ​バ​ソフトウェア​に​解析​および​表示​機能​を​加​え​た​もの​です。 適切​な​アプリケーション​ソフトウェア​を​選択​する​に​は、​アプリケーション​の​複雑​性、​アプリケーション​に​合​っ​た​構成​ベース​の​ソフトウェア​の​機能、​アプリケーション​開発​に​あて​られる​時間​を​評価​し​て​くだ​さい。 アプリケーション​が​複雑​で​あっ​たり​既存​の​プログラム​が​ない​場合​に​は、​開発​環境​を​使用​し​て​くだ​さい。

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​は、​完全​な​計測/​収集/​制御​アプリケーション​の​開発​用​に、​3​つ​の​開発​環境​ソフトウェア​製品​を​提供​し​てい​ます。

· LabVIEW(グラフィカル​プログラミング​環境)
​· LabWindows™/​CVI™(C​言語​プログラミング​環境)
​· Measurement Studio(Visual Basic、​C​+​+、.NET​対応​計測​制御​用​アド​オン)

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツはLabVIEW SignalExpressの​導入​により、​プログラミング​不要​な​構成​ベース​の​ソフトウェア​環境​を​実現​しま​した。 LabVIEW SignalExpress​を​使用​すると、​NI Express​技術​を​用​い​た​対話​的​な​計測​を​行う​こと​が​でき​ます。

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