CompactDAQ​テクノロジ

概要

この​ページ​では、​CompactDAQ​という​シンプル​で​多​機能​な​データ​集録​システム​の​背景​と​なる​技術​や​機能​について​解説​し​ます。​性能​を​重視​した​これらの​コントローラ/​シャー​シ​は、​テスト・​計測​業界​における​長年​の​経験​で​得​ら​れ​た​知識​を​導入​し​てい​ます。​この​ページ​で​紹介​する​多く​の​技術​によって、​CompactDAQ​は​市場​の​他の​デバイス​と​は​一線​を​画す​もの​と​な​って​い​ます。

内容

C​シリーズ​I/​O​モジュール

熱電​対、​電圧、​測​温​抵抗​体、​電流、​抵抗、​歪み、​デジタル​(TTL​など)、​加速度​計、​マイクロ​フォン​など、​異なる​計測​に​対応​した​60​種類​以上​の​C​シリーズ​I/​O​モジュール​から​選ぶ​こと​が​でき​ます。​各​モジュール​の​チャンネル​数​は​3​~​32​で、​幅広い​システム​要件​に​対応​し​ます。​C​シリーズ​I/​O​モジュール​は、​信号​調節、​接続、​データ​集録​を​各​計測​タイプ​向け​の​小型​の​モジュール​に​統合​した​もの​です。​そのため​システム​が​簡素​化​さ​れる​と同時に​計測​の​精度​が​向上​し​ます。​これらの​モジュール​は、​C​シリーズ​シャー​シ/​コントローラ​なら​どれ​に​でも​挿入​する​こと​が​可能​で、​様々​な​システム​を​構築​する​こと​が​でき​ます。​必要​な​モジュール​を​選​んで​複数​の​CompactDAQ​システム​の​1​つ​に​インストール​し、​1​つ​の​システム​に​様々​な​チャンネル​数​や​計測​タイプ​を​ミックス​する​こと​が​でき​ます。​CompactDAQ​なら、​お客様​の​計測​アプリケーション​の​ニーズ​に​合​っ​た​適切​な​システム​を​構築​でき​ます。

Figure 1. 60​種類​を​超える​C​シリーズ​I/​O​モジュール​から​選ぶ​こと​が​でき​ます。

プロセッサ​と​ストレージ​を​統合

CompactDAQ​コントローラ​は、​コンパクト​で​堅牢​な​フォーム​ファクタ​に​データ​集録・​信号​調節​機能​と​プロセッサ​や​データ​ストレージ​を​組み合わせ​た​もの​で、​データ​集録​システム​の​統合​性​が​さらに​高まり​ます。​NI​は​Intel​社​と​提携​し、​デュアル​コア​Atom、​i7、​Celeron​チップ​など​最新​の​工業​用​プロセッサ​を​データ​集録​市場​に​も​導入​しま​した。

CompactDAQ​コントローラ​の​メリット​に関して​詳​しく​解説​し​ます。

機械​設計

計測​の​位置​と​設置​は、​テスト​の​セットアップ​において​重要​な​要素​です。​計測​器​を​テスト​対象​物​の​近く​に​置く​こと​で、​周囲​の​電気​的​ノイズ​を​最小限​に​抑える​こと​が​でき​ます。​USB、​Ethernet、​802.11 WiFi、​その他​複数​の​プロトコル​で​使用​する​デジタル​信号​は、​電磁​妨害​の​影響​を​受け​にくい​ため​です。​CompactDAQ​は、​小型​の​堅牢​な​システム​で​多く​の​チャンネル​を​計測​できる​ので、​テスト​対象​物​の​近く​に​設置​する​こと​が​でき​ます。​CompactDAQ​システム​に​は、​以下​の​よう​な​機械​設計​上の​特長​が​あり​ます。

マウント​方法​が​選べる​堅牢​な​多​用途​シャーシ

  • 1、​4、​または​8​個​の​C​シリーズ​I/​O​モジュール​に​対応
  • USB、​Ethernet、​802.11 WiFi​経由​で​の​データ​転送​か、​組​込​コンピュータ​を​使用​した​スタンドアロン​オプション​が​選択​可能
  • 耐久性​を​高める​A380​金属​構造
  • ほとんど​の​シャー​シ​で​IEC-60068-2-27/64​に​準拠​した​30 g​の​衝撃​と​0.3 grms​の​動作​時​振動​に​対応
  • cDAQ-9188XT​シャー​シ​と​cDAQ-9134/9135​コントローラ​で​IEC-60068-2-27/64​に​準拠​した​50 g​の​衝撃​と​5 g​の​動作​時​振動​に​対応
  • ほとんど​の​シャー​シ​で-20​~​55℃​の​動作​温度​範囲
  • cDAQ-9188XT​シャー​シ​と​cDAQ-9134/9135​コントローラ​で-40​~​70℃​の​温度​範囲
  • パネル、​ラック、​DIN​レール、​および​デスク​トップ​マウント​キット
  • 2D/​3D​製図​(モデル​ページのリソースタブ​参照)

 

図​2.  CompactDAQ​シャー​シ/​コントローラ​に​は、​1、​4、​または​8​スロット​の​オプション​が​あり​ます。

ケーブル​と​信号​線​の​抜​け​防止​機能​による​確実​な​接続

  • 電源​接続​は​ネジ​式​で​シャー​シ​に​取り付け、​安全​の​ため​保護​用​バック​シェル​を​搭載
  • USB​ケーブル​は​つまみ​ネジ​で​USB​シャー​シ​に​ロック​(ロック​USB​ケーブル​は​USB​シャー​シ​キット​に​付属)
  • Ethernet​ケーブル​は​ラッチ​機構​により​ロック​(標準​の​Ethernet​ケーブル​は​別売)
  • 全て​の​モジュール​に、​配線​の​抜​け​を​防ぐ​抜​け​防止​カバー​が​付属、​あるいは​アクセサリ​として​提供
  • 衝撃/​振動​テスト​は、​電源、​通信、​モジュール​信号​線​を​接続​し​て​実施

内蔵​の​トリガ​ライン​による​デジタル​クロック​の​イン​ポート/​エクスポート

  • 8​スロット​USB/​Ethernet​シャー​シ​に​トリガ​ライン​用​の​BNC​接続​端子​を​2​個​搭載
  • cDAQ-9132/9133/9134/9135​コントローラ​は​トリガ​用​の​SMB​コネ​クタ​を​搭載
  • 最大​1 MHz​の​クロック​に​対応​する​帯域幅
  • 複数​の​システム​を​同期​可能​(システム​の​同期​は​全て​の​モジュール​では​対応​し​てい​ま​せん。​詳​しく​は​シャー​シ​の​マニュアル​を​ご覧​くだ​さい)

 

図​3. cDAQ-9178​の​電源​入力、​BNC​トリガ​ライン、​ロック​USB​ポート​の​拡大図

モジュール​および​チャンネル​の​自動​同期

  • モジュール​を​増​や​し​て​システム​に​計測​タイプ​と​チャンネル​を​追加​可能
  • モジュール​は​ホット​スワップ​対応​で、​CompactDAQ​シャー​シ​に​挿入​すると​自動​検出​さ​れ​ます。
  • 1​つ​の​CompactDAQ​システム​で​高速​アナログ​入力、​アナログ​出力、​デジタル​入力、​デジタル​出力​を​同時​転送
  • NI 9469​モジュール​と​RJ50​ケーブル​で​複数​の​CompactDAQ​シャー​シ​を​同期​可能

価格/​購入​情報​につきまして​は​CompactDAQ​シャー​シ​製品​ページ​を​ご覧​くだ​さい

複数​の​集録​レート​に​対応​する​複数​の​タイミング​エンジン

DAQ​システム​の​核​と​なる​の​は​A/​D​コンバータ​です。​A/​D​コンバータ​に​は、​サンプル​集録​の​タイミング​を​指定​する​ため​の​クロック​信号​が​必要​です。​多く​の​システム​に​同じ​クロック​を​使用​する​A/​D​コンバータ​が​複数​搭載​さ​れ​てい​ます​ので、​全​チャンネル​の​計測​を​同期​する​こと​が​でき​ます。​CompactDAQ​システム​は、​タイミング​エンジン​において​柔軟性​という​メリット​が​ある​ため、​標準​の​同期​より​さらに​優​れ​てい​ます。

CompactDAQ​シャー​シ​に​は、​3​つ​の​アナログ​入力​タイミング​エンジン​が​搭載​さ​れ​てい​ます。​そのため、​全て​の​アナログ​入力​を、​タスク​と​呼ばれる​最大​3​つ​の​グループ​に​分ける​こと​が​でき​ます。

  • 各​タスク​は、​図​4​に​示す​よう​に​異なる​レート​で​実行​でき​ます。​この​機能​は、​例えば​低速​の​温度​計測​と​音響​や​振動​の​よう​に​高速​の​計測​を​併せて​行う​際​に​特に​便利​です。
  • 3​つ​の​タスク​は​別々​に​実行​し、​プログラム​内​の​別々​の​ループ​や​スレッド​から​対応​できる​ほか、​同時に​開始​する​こと​も​可能​です。
  • 1​つ​の​タスク​内​の​チャンネル​は​全て​自動​で​同期​さ​れ​ます。​マルチプレクサ​モジュール​を​同時​サンプリング​モジュール​と​同じ​タスク​で​使用​する​場合、​マルチプレクサモジュールの最初のチャンネルが同期され、​それ​以降​の​チャンネル​は​連続​的​に​スキャン​さ​れ​ます。
  • 1​つ​の​タスク​内​の​全て​の​チャンネル​は、​同時​サンプリング​モジュール​も​マルチプレクサ​モジュール​も、​要求​さ​れ​た​サンプル​レート​で​実行​さ​れ​ます。
  • 全て​の​モジュール​を​1​つ​の​タスク​に​配置​する​こと​も​可能​です。​そう​する​こと​で、​全て​の​チャンネル​が​同じ​クロック​で​同期​さ​れ​ます。

CompactDAQ​は、​同時に​7​つ​の​タスク​を​実行​でき​ます。​いくつか​の​タスク​オプション​から​選ぶ​こと​が​でき​ます。

  • 最大​3​個​の​タイミング​エンジン​が​使える​アナログ​入力
  • 指定​の​タイミング​エンジン​を​持つ​デジタル​入力
  • 指定​の​タイミング​エンジン​を​持つ​デジタル​出力
  • 指定​の​タイミング​エンジン​を​持つ​アナログ​出力
  • 位​相差​出力、​PWM、​イベント、​周期、​または​周波数​計測​用​の​カウンタ/​タイマ​タスク​(CompactDAQ​シャー​シ​に​は​デジタル​モジュール​経由​で​アクセス​できる​カウンタ/​タイマ​が​4​個​搭載​さ​れ​てい​ます)

指定​の​リソース​を​持​って​いる​こと​で、​デジタル/​アナログ​タスク​は、​別​の​タスク​から​の​クロック​信号​を​共有​し​なく​て​も、​独立​し​て​実行​する​こと​が​でき​ます。​そのため、​プログラミング​は​直感​的​で​簡単​です。​指定​の​リソース​は、​シャー​シ​の​他の​サブシステム​と​共有​でき​ます。​例えば、​デジタル​入力​クロック​を​アナログ​出力​クロック​と​共有​する​こと​で、​デジタル​入力​の​全て​の​立ち上がり/​立ち​下がり​エッジ​で​電圧​を​生成​する​こと​が​でき​ます。

複数​の​タイミング​エンジン​と​リソース​の​経路​設定/​共有​機能​を​備え​て​いる​ため、​ほとんど​の​市販​の​DAQ​システム​では​不可能​な​レベル​の​柔軟性​を​CompactDAQ​で​実現​する​こと​が​可能​です。

図​4. 1​つ​の​シャー​シ​で​複数​の​アナログ​入力​タスク​が​異なる​レート​で​実行​でき​ます。

NI-​STC3​技術​に​基づく​高度​な​カウンタ​機能

CompactDAQ​シャー​シ/​コントローラ​の​中核​を​なす​技術​は、​NI​の​他の​データ​集録​製品​でも​採用​さ​れ​てい​ます。​その​技術​は、​第​3​世代​の​システム​タイミング​コントローラ​(NI-​STC3)​と​呼​ば​れ​ます。​多く​の​デバイス​は、​システム​タイミング​に​市販​の​クロック​と​オシ​レ​ータ​を​使用​し​てい​ます。​NI​は、​性能​を​重視​した​設計​を​モットー​と​し、​タイミング​エンジン​から​始​ま​って​30​年間​に​及ぶ​PC​ベース​の​計測​に​取り​組​ん​でき​ま​した。​NI-​STC3​技術​は​専用​の​ソース​コード​が​ASIC​に​内蔵​さ​れ​た​もの​で、​その​技術​によって​CompactDAQ​の​よう​な​システム​は​市場​に​出​て​いる​他の​デバイス​と​一線​を​画​し​てい​ます。

4​個​の​32​ビット​上級​カウンタ/​タイマ

  • カウンタ​は、​イベント​カウント、​位​相差​出力​エンコーダ​計測、​PWM、​パルス列​生成、​周期/​周波数​計測​など​に​使用​でき​ます。
  • NI-​STC3​カウンタ​は、​組​込​または​オン​ボード​補助​カウンタ​を​含む​上級​カウンタ​です。​ユーザ​が​直接アクセス​する​こと​は​でき​ま​せん​が、​ドライバ​が​アクセス​し​て​周波数​計測​を​行い​ます。​その​プロセス​に​は​通常​2​つ​の​カスケード​カウンタ​が​必要​ですが、​NI-​STC3​技術​の​場合​上級​カウンタ​を​使用​し​て​少ない​リソース​で​より​多く​の​タスク​が​行​え​ます。
  • リソース​を​共有​する​こと​で、​カウンタ​タスク​を​他の​カウンタ/​デジタル/​アナログ​タスク​と​同期​でき​ます。

 

図5.​カウンタ​0​と​周波数​発生​器

内蔵​の​周波数​発生器

  • 10 MHz、​20 MHz、​100 kHz​の​ベース​クロック
  • 16​個​の​除数 (n=1..16)
  • インストール​さ​れ​て​いる​ハードウェア​タイミング​デジタル​モジュール​または​内蔵​の​BNC​トリガ​ライン​から​の​出力​(内蔵​トリガ​ライン​では​1 MHz​の​帯域​幅​制限)

上級​カウンタ​と​デジタル​機能

  • 変化​検出​イベント
  • ハードウェア​トリガ​(開始、​リファレンス、​一時​停止)
  • プログラマブル​関数​インタフェース​(PFI)​端子​を​アナログ/​デジタル/​カウンタ​関数​の​入出力​タイミング​として​使用
  • 8​個​の​カウンタ​入力​関数
  • 5​個​の​カウンタ​出力​関数

NI​信号​ストリーミング​技術

USB​や​Ethernet、​802.11 WiFi​など​の​通信​バス​は、​データ​構造​が​標準化​さ​れ​て​おり、​デバイス​が​ホスト​と​通信​する​方法​も​定め​ら​れ​てい​ます​が、​デバイス​は​全て​同じ​では​ありま​せん。​信号​ストリーミング​技術​は、​それらの​バス​規格​の​範囲​内​で​NI​データ​集録​デバイス​を​最も​効率​的​に​動作​させる​設計​と​な​って​い​ます。​多く​の​家電​製品​では、​方向​データ​の​ストリーム​信号​は​1​つ​または​2​つ​しか​必要​ありま​せん。​音楽​プレイヤー​や​ストレージ​デバイス​は、​多く​の​場合​ホスト​PC​と​の​間​で​大​容量​の​データ​を​一方向​に​転送​し​ます。​テスト​システム​では、​複数​の​入力​や​出力​が​同時に​実行​し​て​いる​こと​も​少​なく​ありま​せん。​信号​ストリーミング​技術​により、​CompactDAQ​システム​と​の​双方向​高速​データ​スト​リー​ミン​グ​が​可能​となり​ます。

図​6. 信号​ストリーミング​により、​プロセッサ​へ​の​負荷​を​最小限​に​抑え​つつ、​複数​の​タスク​から​の​データ​を​並列​転送​でき​ます。

信号​ストリーミング​技術​の​詳細​情報

CompactDAQ​で​の​ソフトウェア​オプション

CompactDAQ​システム​を​使用​すると、​ANSI C/​C​+​+、​Visual C#、​Visual Basic .NET​など、​複数​の​プログラミング​環境​で​計測/​テスト​アプリケーション​を​開発​する​こと​が​でき​ます。​ただし​プログラミング​に​労力​を​使う​こと​なく​CompactDAQ​システム​の​性能​を​最大限​に​引き出す​こと​が​できる​の​は、​ソフトウェア/​ハードウェア統合性に優れた​LabVIEW​開発​環境​です。

LabVIEW​は、​フローチャート​に​似​た​直感​的​で​グラフィカル​な​アイコ​ン​と​ワイヤ​を​使用​し​て、​高度​な​計測、​テスト、​制御​システム​を​開発​する​ため​の​プログラミング​環境​です。​CompactDAQ​プラットフォーム​など、​多数​の​ハードウェア​デバイス​と​の​統合​が​可能​で、​高度​な​解析​や​データ​の​可視​化​が​行える​ライブラリ​も​数多く​内蔵​さ​れ​てい​ます。​このツールを使用すれば、​複数​の​デバイス​から​の​計測​の​自動化​や、​データ​の​リアルタイム​解析、​カスタム​レポート​の​作成​など、​全て​の​作業​を​ものの​数分​で​実行​する​こと​が​でき​ます。

図​7. 考え​た​通り​に​プログラム​できる​グラフィカル​プログラミング​と​データ​フロー​表現​で​開発​の​生産​性​を​高める​こと​が​でき​ます。