利用数据采集系统 (DAQ) 实现工业运动控制的高速、高精度

如机器人技术和自动化输送系统等现代工业系统，都依赖高速、同步的数据来优化性能、提升效率并实现预测性维护。然而，以毫秒级精度捕获并协调位置和运动数据是一项重大挑战。标准数据采集 (DAQ) 系统通常缺乏与编码器和计时器实时连接所需的专用功能，这可能导致系统可靠性下降并造成性能瓶颈。

本文首先简要介绍在严苛工业应用中实现位置和时间的高速测量所需的各项要求。随后，介绍 Advantech 的编码器计数器/计时器模块，并说明该模块的多种编码器模式和四个高速通道如何用于解决机器人和运动控制应用中复杂的同步难题。典型的系统配置以及兼容的软件工具，为系统集成提供了清晰的实施路径。

工业过程中精准控制运动与时间的重要性

现代工业系统依赖于复杂、有序的运动，其中协调能力至关重要。我们来考虑一下从移动传送带上拾取组件的机械臂。为了使系统正常运行，机械臂的运动必须与输送机的速度和位置保持同步。为此，就需要以毫秒级精度捕获来自多个数据源的信息并进行协调，这是一项极具挑战性的技术要求。

DAQ 系统在解决这一问题方面发挥着核心作用。系统从输送机的驱动电机和机械臂的关节处捕获编码器数据，并将这些测量值在多个通道中进行同步，从而精确计算出截取传送带上物品的时刻。

在增大输送带速度以提高生产效率时，数据采集系统 (DAQ) 必须对位置和时间数据进行快速采样，以避免出现错误。传感器读数延迟或缺失可能导致机械部件的操作时机错误，甚至引发机械部件之间的碰撞，导致意外停机，失去生产力。

高精度 DAQ 系统还支持预测性维护。例如，速度异常或位置误差可能表明存在问题，如轴承磨损或皮带打滑。通过分析这些信号，设计人员能提前识别潜在故障，避免运行中断。

高速 DAQ 的要求

为了满足这些应用需求，DAQ 系统必须具备以下关键性能特征：

• 高速、高分辨率采样： 捕捉细微运动，例如亚毫米级的位置变化，需要同时具备高采样率和高精度分辨率。在兆赫兹 (MHz) 范围内进行采样，确保即使在高速环境中也不会遗漏任何关键事件。
• 多通道同时采样： 为了协调机械臂和传送带的运行，必须同时捕获它们各自的位置和时间数据，而不是依次捕获。试图将按顺序捕获的数据流进行关联可能会导致错误，即选错传送带上的物品或完全漏掉该物品。
• 灵活的编码器支持： 工业系统通常会使用来自不同供应商的组件，导致编码器信号类型混杂。DAQ 系统应支持多种编码器模式，以避免增加接口逻辑。
• 工业化设计：工业环境会使电子设备暴露于电磁干扰、振动和高温等苛刻条件下。因此，为了确保系统可靠运行并防止系统故障，必须采用合适的 DAQ 硬件。
• 可扩展性：DAQ 系统应采用模块化设计，使设计人员能够通过添加更多通道或不同类型的输入轻松扩展系统。这意味着，即使自动化设施在不断扩展，也能确保新型机器人、传感器和生产线的集成。

为满足这一系列多样化需求，必须面对由此带来的重大设计挑战。虽然许多 DAQ 非常适用于通用数据采集，但涉及高速、同步运动的应用准则需要专用硬件。

用于运动控制系统的先进的位置与时间测量技术

Advantech 推出的 iDAQ-784 高精度编码器计数器/计时器模块（图 1）专为满足这些要求而设计。该模块提供四个通用型 32 位编码器通道，可支持在工业系统中进行位置和时间的同步测量。该模块支持最高 10 MHz 的输入频率，以实现编码器信号的精确定时。

图 1：iDAQ-784 编码器计数器/计时器模块支持在四个 32 位通道上同时采集数据，适用于复杂的工业运动控制应用。（图片来源：Advantech）

内置的数字信号滤波功能可帮助 iDAQ-784 实现更清晰的信号传输和更高的测量精度。这为先进自动化应用提供了高精度系统级表征能力，如工业机器人、运动控制系统及高速输送系统等。

编码器的输入、测量及输出模式

iDAQ-784 支持多种输入信号类型和测量模式，可满足多样化工业运动控制需求。每个计数器通道均支持单端和差分输入，共模电压范围为 ±15 VDC。该模块可支持三种行业标准的编码器用于位置测量：

• 正交（A/B 相位）：通过两个相位差 90° 的信号通道（A 相和 B 相），同步判断位置与方向。具体的编码方式（X1、X2 或 X4）通过统计上升沿和/或下降沿的数量来确定分辨率，其中 X4 的分辨率是 X1 的四倍。
• 双脉冲（CW/CCW）：顺时针 (CW) 和逆时针 (CCW) 脉冲分别使用独立的输入线路。计数器在 CW 脉冲下递增，在 CCW 脉冲下递减。
• 脉冲方向（带符号脉冲）：一个信号用于生成脉冲，另一个信号指示方向。计数器根据方向信号的状态进行递增或递减。

每个编码器输入可采用单端或差分接线方式，并提供 Z 信号输入用于位置复位。每个计数通道还支持多种功能模式，用于计时和脉冲生成：

• 事件计数：统计输入信号的上升沿或下降沿，可选带门控功能。
• 频率测量：通过周期倒数法或者脉冲计数法精确测量信号频率。
• 脉冲宽度测量：测量数字信号的高电平和低电平持续时间。
• 位置测量：使用上述支持的输入模式跟踪编码器位置。
• 持续比较（位置比较）：当达到位置阈值时触发输出脉冲或中断。
• 单次触发（延迟脉冲生成）：经过门触发以及规定的延迟后，输出单个脉冲。
• 计时器/脉冲生成：输出一个带中断支持功能的连续脉冲列。
• 脉宽调制 (PWM)：输出具有可编程高电平和低电平持续时间的波形；支持有限或连续生成。

这种广泛的模式选择确保了可兼容工业系统中各种常见设备。

专为工业环境而设计

iDAQ-784 及其周边生态系统专为在严苛工业环境中实现高可靠性而设计。该模块的额定工作温度范围为 –40°F 至 158°F，相对湿度可达 90%（非冷凝）。

此外，该模块还专门用于抵御工厂环境中常见的电磁干扰；其内置数字信号滤波器可提升信号清晰度，且每个通道均支持差分信号输入，可实现卓越的共模噪声抑制性能。

这种设计理念也延伸至生态系统配件，这些配件采用坚固耐用的设计，符合 DIN 导轨标准，可在工业机柜内可靠安装。借助这种环境耐受性、抗噪能力与坚固的物理集成的强大组合，可以对先进的自动化应用进行高精度系统级特性分析。

构建高速、高精度 DAQ 系统

构建 DAQ 的第一步是连接传感器。首先，将传感器引线连接至接线端子。Advantech 的 ADAM-3937-BE 接口模块（图 2）是用于此目的的现成解决方案。这款 37 针模块专为 DIN 导轨安装设计，尺寸为 87.2 mm × 112.5 mmm × 51 mm，可与标准的 DB37 兼容型工业基础设施轻松集成。

图 2：ADAM-3937-BE DIN 导轨接线板为兼容 DB37 的硬件提供通用接口解决方案。（图片来源：Advantech）

从该端子块，信号可通过电缆组件（如 PCL-10137-1E，见图 3）传输至 iDAQ-784。这款 3.28 英尺长、37 针 D 型连接器电缆采用拇指旋钮紧固设计，可确保连接牢固。铝/聚酯薄膜箔与编织铜双层屏蔽结构，可在电磁干扰较强的工业运动应用环境中有效保障信号完整性。此外，还提供较长的版本。

图 3：PCL-10137-1E 电缆组件配备 37 针公头 D-sub 连接器，用于连接 iDAQ-784。（图片来源：Advantech）

iDAQ 模块化生态系统涵盖了种类繁多的专用 I/O 模块和端子块，使设计人员能有针对性地构建坚固耐用且可扩展的 DAQ 系统，以满足其特定需求。

iDAQ 软件工具

硬件组装完成后，使用 DAQNavi 软件开发工具包（图 4）提供的免费开发环境，对 iDAQ 系统进行编程。DAQNavi 提供了一款名为 Advantech Navigator 的实用工具。设计人员使用该工具，能够在无编程的情况下对 iDAQ 设备进行配置和功能测试。该工具还可用于设备模拟，使设计人员能够在无物理数据采集设备的情况下编程和运行应用，从而实现灵活地开发系统。

图4：免费的 DAQNavi 软件环境与 iDAQ 系统配合使用。（图片来源：Advantech）

DAQNavi 支持运行 32 位和 64 位 Windows 操作系统的主系统，以及多个常见的 Linux 发行版系统。由于 API 函数在两个平台上保持一致，迁移时无需进行任何程序修改，因此可实现面向未来的无缝集成。为方便用户使用，DAQNavi 可兼容多种常用编程语言，包括 C#、C++、Visual Basic、Java、MATLAB 和 LabVIEW。

结语

精准的计时与同步是先进机器人及工业运行的关键，能够实现过程优化，同时最大程度地延长设备运行时间，提升生产效率。Advantech 的 iDAQ-784 模块及其完整的 iDAQ 生态系统，为满足这些高性能需求提供了坚固耐用的可扩展解决方案。