Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và thử nghiệm nghiên cứu khoa học, hiệu suất của thiết bị thu thập dữ liệu ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của hệ thống và hiệu quả phát triển. Dòng thẻ thu thập dữ liệu USB của National Instruments (NI), với thiết kế dạng mô-đun, thông số kỹ thuật hiệu suất cao và hệ sinh thái phần mềm mạnh mẽ, đã trở thành công cụ không thể thiếu trong các phòng thí nghiệm và dây chuyền sản xuất. Bài viết này đi sâu vào các model phổ biến như USB-7845, USB-6211 và USB-6343.

I. Thông số kỹ thuật: Cấu hình phần cứng cho nhiều tình huống khác nhau

Khả năng xử lý tín hiệu tương tự

· Lấy mẫu độ phân giải cao: USB-7845 được trang bị bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) 16-bit, hỗ trợ chuyển mạch chế độ đơn/vi sai cho các kênh đầu vào tương tự. Với tốc độ lấy mẫu tối đa 500 kS/s (kilo-mẫu mỗi giây), thiết bị có thể thu thập tín hiệu động lên đến 25 kHz.

· Đầu ra dải rộng: Các kênh đầu ra analog của nó đạt tốc độ cập nhật 1 MS/s (megasample mỗi giây), bao phủ dải điện áp đầu ra ±10V. Kết hợp với khả năng lập trình FPGA, nó cho phép tạo dạng sóng tùy chỉnh.

· Đồng bộ hóa đa kênh: USB-6343 hỗ trợ 32 đầu vào đơn hoặc 16 đầu vào vi sai, tất cả đều chia sẻ tốc độ lấy mẫu 500 kS/giây. Tận dụng công nghệ định thời NI-STC3, thiết bị đạt được độ chính xác đồng bộ hóa ở mức nano giây, lý tưởng cho việc thu thập dữ liệu mảng đa cảm biến.

Chức năng số và đếm

· I/O kỹ thuật số hai chiều: USB-7845 cung cấp 48 kênh kỹ thuật số tương thích với TTL/CMOS, với mức logic có thể lập trình (3,3V/5V) để trực tiếp điều khiển rơ le hoặc đọc tín hiệu chuyển mạch.

· Bộ đếm độ chính xác cao: USB-6211 tích hợp hai bộ đếm 32 bit, hỗ trợ tần số tín hiệu tối đa là 80 MHz, đầu ra PWM và giao diện mã hóa, phù hợp với hệ thống điều khiển động cơ và phản hồi vị trí.

Khả năng thích ứng với môi trường

· Bảo vệ cấp công nghiệp: USB-7845 có vỏ kim loại kín, hoạt động ở nhiệt độ từ -20°C đến 70°C, chịu được lực va đập 50g và tuân thủ tiêu chuẩn quân sự MIL-STD-810G.

· Khả năng tương thích điện từ: Được chứng nhận bởi CE và FCC, sản phẩm bao gồm khả năng bảo vệ kẹp diode TVS trên các kênh analog, chịu được mức phóng tĩnh điện ±200V (ESD).

II. Các tính năng cốt lõi: Kiến trúc linh hoạt hỗ trợ FPGA

FPGA có thể lập trình bởi người dùng

USB-7845 tích hợp chip FPGA hiệu suất cao, cho phép người dùng triển khai logic tùy chỉnh thông qua mô-đun FPGA LabVIEW. Ví dụ, trong thử nghiệm phần cứng vòng lặp (HIL), nó có thể xây dựng các mô hình mô phỏng thời gian thực, tích hợp liền mạch I/O vật lý với các hệ thống ảo để giảm hơn 60% chu kỳ thử nghiệm.

Hệ thống đồng bộ hóa và kích hoạt

· Đồng bộ hóa nhiều thiết bị: Công nghệ NI-TClk cho phép đồng bộ hóa xung nhịp lấy mẫu giữa nhiều thiết bị với sai số dưới 100ps.

· Điều kiện kích hoạt phức tạp: Hỗ trợ kích hoạt cạnh kỹ thuật số, kích hoạt cửa sổ analog và kích hoạt sự kiện bên ngoài. USB-6211 đạt độ trễ kích hoạt thấp tới 50ns, phù hợp cho việc ghi chuỗi xung tốc độ cao.

Tích hợp hệ sinh thái phần mềm

· Trình điều khiển và API: Trình điều khiển NI-DAQmx cung cấp giao diện lập trình thống nhất hỗ trợ LabVIEW, Python, C/C++, v.v.

· Công cụ phân tích nâng cao: Kết hợp với bộ công cụ xử lý tín hiệu của LabVIEW, công cụ này cho phép sử dụng các thuật toán phức tạp như phân tích phổ FFT và theo dõi thứ tự mà không cần mã hóa bổ sung.

III. Các tình huống ứng dụng điển hình

Hệ thống kiểm tra tự động

· Trường hợp: Kiểm tra bộ điều khiển điện tử ô tô

· Cấu hình: USB-7845 xử lý việc thu thập tín hiệu analog (ví dụ: giám sát điện áp/dòng điện), trong khi USB-6211 xử lý tín hiệu kỹ thuật số (phát hiện chuyển mạch). Phần mềm TestStand tự động hóa việc kiểm soát quy trình làm việc.

· Ưu điểm: Thay thế các thiết lập đa dụng cụ truyền thống, tăng phạm vi kiểm tra lên 40% và giảm thời gian chẩn đoán lỗi xuống còn một phần ba so với các phương pháp thông thường.

Mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HIL)

· Ứng dụng: Phát triển trình điều khiển động cơ

· Triển khai: FPGA của USB-7845 chạy mô hình động cơ thời gian thực để mô phỏng những thay đổi tải, trong khi USB-6343 thu thập tín hiệu đầu ra của trình điều khiển để điều khiển vòng kín.

· Lợi ích: Giảm độ trễ tương tác phần cứng tới 80% so với mô phỏng chỉ bằng phần mềm, tăng tốc quá trình xác thực thuật toán bộ điều khiển.

Thu thập cảm biến cấp nghiên cứu

· Kịch bản: Giám sát rung động cầu

· Giải pháp: USB-4431 (được thiết kế cho các ứng dụng âm thanh/rung động) thu thập đồng bộ bốn tín hiệu gia tốc kế ở tốc độ 102,4 kS/giây, kết hợp với điều kiện tín hiệu IEPE để điều khiển trực tiếp các cảm biến áp điện.

· Dữ liệu: Đạt dải động 100 dB và mức nhiễu nền <5μV, đáp ứng các yêu cầu giám sát tình trạng kết cấu nghiêm ngặt.

Nền tảng giáo dục và đào tạo

· Công cụ: Thẻ thu thập dữ liệu giá rẻ USB-6009

· Ứng dụng: Kết hợp với bộ thí nghiệm TLA-004/U6, bộ dụng cụ này hỗ trợ các khóa học như Nguyên lý Cảm biến và Điều khiển Tự động. Sinh viên có thể lập trình máy hiện sóng ảo và máy phát hàm thông qua LabVIEW.

· Giá trị: Giảm 70% chi phí thiết bị và rút ngắn thời gian chuẩn bị thí nghiệm xuống dưới 10 phút.

IV. Hướng dẫn lựa chọn và xu hướng tương lai

Dòng USB của NI hiện cung cấp ma trận sản phẩm hoàn chỉnh:

· Các mẫu cơ bản: USB-6001/6003 (8 đầu vào tương tự, độ phân giải 14 bit, phù hợp cho việc giảng dạy và các bài kiểm tra đơn giản)

· Các mẫu phổ biến: USB-6211/6251 (độ chính xác 16 bit, tích hợp đa chức năng, cân bằng hiệu suất và chi phí)

· Các mẫu hiệu suất cao: USB-7845/6343 (mở rộng FPGA, đồng bộ hóa đa kênh, được thiết kế riêng cho các hệ thống phức tạp)

Trang web sản phẩm:

https://www.3splc.com/NI-USB_c0_ss

Khi Công nghiệp 4.0 và AIoT phát triển, NI đang đẩy mạnh dòng USB hướng đến điện toán biên. Các mẫu mới hơn tích hợp bộ xử lý ARM để xử lý dữ liệu cục bộ và ra quyết định biên, giảm sự phụ thuộc vào máy chủ. Đối với các dự án đòi hỏi độ chính xác cao, tính linh hoạt và phát triển nhanh chóng, dòng USB của NI vẫn là một lựa chọn đáng tin cậy.