資料記錄是相當普及的量測應用。在大部份的情況下，資料記錄是量測與記錄物理或電子參數一段時間，資料可能是溫度、應變、位移、流量、壓力、電壓、電流、電阻、功率或任何其它參數。真實世界的資料記錄應用通常不只有量測與記錄，還包含了線上或離線的分析、顯示、報表產生與資料分享等。除此之外，許多資料記錄的應用還需同時記錄其它不同種類的資料，例如在車輛撞擊測試中，量測數值資料的同時並記錄聲音與影像。

資料記錄被大量應用在各種領域中。化學家在實驗室中做實驗時需記錄如溫度、pH值與壓力；設計工程師在評估產品設計時需要記錄如震動、溫度與電池的電量；土木工程師為了評估橋樑安全性，需要長時間記錄橋樑的應變與負重；地質學家在鑽探油井時需要量測記錄礦物的變形；釀酒廠在釀酒與保存時要記錄環境參數來確保品質。

資料記錄的應用還有許多，但它們都有一個共通的需求。這篇文章將說明資料記錄的共通背景、討論大部份應用的不同功能需求與一些目前可供工程師與科學家使用的PC-Based的資料記錄的軟硬體。

《圖一　PC-Based資料記錄應用－－冷藏櫃性能測試》

歷史背景

最早的資料必須手動將類比儀器例如溫度計或壓力計等數據記錄下來。這些數據以手寫的方式隨觀察時間記錄，為了顯示出隨時間時變化的趨勢，人們將這些資料以圖形的方式手繪在圖表上。在19世紀晚期，開始有能力利用機器將這個過程自動化。類比儀器的圖形記錄器將感測器的電子訊號轉換成機器手臂的移動，然後將一枝筆附著在機器手臂的末端，一卷紙隨著時間捲動，筆就將資料繪在紙上。這種記錄方式相對於手動記錄來說是一大突破，但仍有缺點。例如將紙上的軌跡翻譯成有意義的工程單位是冗長而沈悶的過程，並且這種方式需要大量紙張。

在1970與80年代，隨著個人電腦的發展，人們開始使用電腦來分析資料，儲存資料與產生報表。將資料送進電腦中的需求促成了一種新的，專門用來記錄資料的設備誕生－－資料記錄器。資料記錄器是獨立的單機式儀器，可以量測訊號，轉換成數位資料，並且在內部儲存資料。這些資料必須傳送至個人電腦來分析、永久保存與產生報表。將資料從資料記錄器傳送至電腦的方式，一般是透過人工來移動行動式儲存裝置（例如磁碟片）或透過在資料記錄器與電腦之間的某種通訊連接線，例如序列埠或以太網路。

到了1990年代，資料記錄進一步演進成PC-Based的系統。這些系統除了原本現代電腦的永久儲存、分析、產生報表與顯示功能外，還結合了單機式儀器的擷取與儲存能力。PC-Based資料記錄系統帶來了資料記錄過程的完全自動化。促成資料記錄系統轉移至PC-Based的過程依賴三樣科技的進步：

現在，PC-Based資料記錄系統提供了廣泛的量測形式、分析能力與報表工具。本文接著將討論PC-Based資料記錄系統所需要的功能。

資料記錄功能需求

每個資料記錄的應用，從15世紀手工記錄天氣的改變，到21世紀記錄核融合的實驗參數，都可以分成五個主要的功能需求，如(圖二)所示。擷取（Acquire）是實際量測物理參數並傳送到記錄系統的過程。線上分析（Online Analysis）指任何對正在擷取的資料所做的分析。包含警示、比例調整或控制等。記錄（Log）或儲存資料，則是每個資料記錄系統的明顯需求。離線分析（Offline Analysis）是為了得到有用的資訊，對已經擷取完成的資料所做的一切分析。最後一個部份是呈現、報表與資料分享（Display、Sharing、Reporting），屬於資料記錄系統中比較瑣碎的項目。現在來看看這些功能在現代的PC-Based資料記錄統中如何完成。

《圖二　資料記錄系統的基本組成元件》

擷取（Acquire）

擷取在每個資料記錄系統中是最重要的功能之一。在一個PC-Based的系統中，擷取是由量測硬體來完成的，如(圖三)所示，量測硬體可以再分成感測器（Sensors）、訊號連接（Singal Connectivity）與類比數位轉換（Analog-to-Digital Conversion）。

《圖三　PC-Based資料記錄系統中的量測硬體元件》

感測器

各種不同的感測器被用將物理參數轉換成數位訊號。溫度感測器例如熱電偶、RTD、熱阻器是一些在資料記錄系統中用來量測溫度的感測器。其它廣泛被使用的感測器有流量計、壓力計、應變規、加速規與麥克風等。感測器的選擇與安裝則不在本文的討論範圍之內。

訊號連接

安裝好感測器之後，必須連接到資料記錄系統。訊號連接是連接感測器與資料記錄系統之間元件。端子台是最基本的連接形式，可以讓感測器的裸線連接資料記錄系統，是在一般用途下很好的選擇，特別是當需要在狹小的空間下連接大量的訊號時。但缺點是連接這些線路很花時間同時不容易重新設定。(圖四)列出一些其它標準的連接端子，可以讓連接或拔除感測器較為容易。Minithermocouple在使用熱電偶時是常見的接頭。在需要電子的抗雜訊干擾時，BNC與SMB連接器常被使用。在量電流、電阻或高電壓時可使用香蕉接頭（Banana Jack）。感測器廠商通常為一種感測器提供一些連接的選擇，工程師可以根據硬體來選擇連接器。

《圖四　訊號連接器的選擇》

訊號處理

在PC-Based資料記錄系統中，訊號處理是最重要的元件之一，但也是最容易被忽視的。大部份的訊號在數位化之前都需要某種程度的處理。例如，熱電偶產生的電壓相當小，需要放大、濾波與線性化。其它感測器例如RTD、熱阻器、應變規與加速規，需要外加電源以放大和濾波，其它訊號需要與高電壓隔離來保護系統。就算純粹的電壓源，為了安全的緣故，也可能需要特殊的技術來阻擋過大的共模訊號或衰減高電壓。沒有一種單機式的資料記錄器能提供滿足所有這些需求的彈性。然而，若搭配前端的訊號處理，可以結合必要的科技將各種不同的訊號量測整合進一部PC-Based的資料記錄系統。

因為訊號處理技術相當廣泛，每種技術的角色和需求可能令人混淆，以下列出常見的訊號處理方法，它們的功能與一些例子。

大部份感測器需要這些訊號處理的組合。再以熱電偶為例，它需要放大、線性化、冷點補償、濾波，有時還需要隔離。理想的PC-Based資料擷取平台應該能夠選擇應用所需要的訊號處理方式。在某些系統中，前端的訊號處理是選擇性的，但是在其它系統中，前端訊號處理是量測所必須的。要記住，如果想要使用以下任何一種感測器，熱電偶、RTD、熱阻器、應變規、LVDT、加速規、切換器、多工器、低/高電壓混合訊號、電流輸入或電阻時，都會需要前端的訊號處理。

轉換

在物理量被轉換成電子訊號並適當處理過後，就可以把類比訊號轉換成數位訊號然後將這些數值傳回電腦中。這個類比轉換成數位的過程可以用插入式的資料擷取卡來完成（DAQ），或可以整合進訊號處理與連接的裝置。

包含感測器、訊號連接、訊號處理與類比轉換成數位的過程組成了資料記錄系統的硬體部份。在一個PC-Based的系統中，量測硬體由軟體來設定與控制，軟體能和資料記錄系統緊密的整合是相當重要的。

線上分析

在資料記錄系統中下一個功能元件就是線上分析。PC-Based的線上分析是由軟體來完成，各種不同的資料記錄應用需要許多不同型式的線上分析。下文將討論一些最常見的技術。

比例縮放是將擷取系統得到的二進位資料轉成適當比例的工程單位，其中一個例子是將熱電偶所量測到的數位資料轉換成攝氏溫度。數位器傳來的是熱電偶電壓和冷點補償電壓的二進位量測資料，軟體將二進位資料轉換成電壓、然後使用熱電偶轉換公式來計算溫度。類似的比例縮放方法還用在應變規、RTD、加速規和其它感測器上。很幸運的，現在的PC-Based量測軟體已經能夠處理大部份的比例縮放工作。

另一個重要的線上分析功能是警示與事件管理，其可監視一個通道並在超過某一個限制時提出警告。這可以是打開一個基本的警示燈，或通知問題的複雜資訊。警示也包含了對某些事件的自動反應，例如當油的溫度超過某個上限時，資料記錄系統可以自動關閉機器。

不同的資料記錄應用需要各種不同的分析功能，這些功能可能包含回饋控制系統或先進的訊號分析。只有PC-Based資料記錄系統擁有實現這些不同需求的彈性。

記錄與儲存

記錄（或儲存）的功能在定義上就是每一個資料記錄系統所必須有的。記錄的方法隨著系統的不同而有很大的差異。圖表記錄器使用紙，傳統的資料記錄器可以使用內部的非揮發性記憶體、軟碟片或是其它不同的媒介。PC-Based的資料記錄系統通常使用PC的硬碟，有時也可以使用磁帶機、網路磁碟、磁碟陣列與其它特有的裝置來儲存。

軟體在PC-Based的資料記錄中是相當重要的，因為軟體的設計決定了資料如何被儲存、儲存速度與磁碟空間如何被有效的利用。記錄軟體也具備管理資料的能力，例如改變資料格式，讀取資料與存取資料庫。

資料儲存格式、資料記錄系統的效能及使用上的便利性有很直接的關係。有三種常被使用的格式－－ASCII文字、二進位與資料庫檔案。

ASCII文字是最常使用也是最具彈性的存檔格式。資料記錄系統的文字檔案通常由標頭與測試資料欄組合而成。標頭包含了通道名稱、工程單位、測試設備使用者說明等。測試資料欄的第一欄通常是取樣的時間，隨後的欄位通常是記錄各個通道的資料。因為文字檔案幾乎可以被任何軟體打開或匯入，也可以在作業系統之間轉換。但文字檔在磁碟空間上比較沒有效率，而且在檔案讀寫時需要額外的處理。通常在擷取頻率比較小（1000samples/sec）時總擷取資料量不大，且使用者需要在不同的應用程式間分享資料時使用文字格式檔案。

二進位格式檔案是最有效的資料儲存格式，電腦直接將記憶體中的原始位元資料寫入檔案中。這種儲存方式比起ASCII文字格式明顯少佔用許多儲存空間，在儲存時也需要比較少的處理器資源。二進位格式的檔案不能顯示在一般的軟體例如Microsoft Excel中，它們必須由特殊的軟體來轉換成有意義的資料。使用PC-Based資料記錄系統，可以記錄已經轉換成正確工程單位的資料，或是可以記錄由數位器傳回來的原始二進位資料。若是16位元的資料擷取裝置，原始的二進位資料可表示出每一個取樣點在記憶中的16位元的資料，或是2個位元組的資料。記錄軟體中的比例縮放函數自動將這些原始資料轉換成量測到的真實數值。在資料記錄軟體中縮放過後的資料一般是以精確的浮點數來處理，在大部份的電腦中佔8個位元組。

為了效能的關係，一般高速的資料記錄系統可能將二進位資料記錄至磁碟中，並隨後記錄必要的比例縮放轉換常數。(圖五)顯示出二進位格式、比例縮放後格式與ASCII文字格式的關係。使用二進位資料，需要較少的磁碟空間，也有較快的stream-to-disk功能。儲存同樣的資料量，二進位格式只需要文字格式十分之一不到的儲存空間，只是在和其它應用程式分享資料時需要經過轉換。

《圖五　資料儲存檔案大小範例》

許多資料記錄軟體將資料寫入資料庫中。資料庫一般擁有結構化的格式來插入或取出二進位資料，並且經過最佳化來有效的處理大量資料，以便在搜尋時不用將所有的資料讀入記憶體中。資料庫通常也設計成容易備份、取得資料或供多位使用者同時使用。在軟體上它們通常能很容易地匯出資料到不同的套裝軟體中來分析或產生報表。在許多方面，資料庫都是PC-Based資料記錄系統的理想儲存格式。資料庫的兩個缺點是它們會增加系統的複雜度，並且使用時較難入門。

資料記錄使用許多不同的儲存媒介。單機式的資料記錄器可以使用非發揮性記憶體、軟碟片、PCMCIA記憶卡、磁帶或是其它儲存裝置。PC-Based資料記錄系統經常使用PC內部的硬碟。現在數十GB的硬碟是最經濟的儲存設備之一。最好有週期性地備份資料在硬碟中的習慣。

高速資料記錄應用（超過1M samples/second）可能超過一般PC硬碟的寫入速度極限。PC-Based資料記錄系統的好處之一就是可以將設備移到高效能的儲存裝置或更高效能的電腦上，而記錄系統的軟體或量測硬體幾乎不用或只需要一點點的修改。另一種高效能的儲存裝置是RAID（獨立磁碟多重陣列），RAID使用多個磁碟機以改進stream-to-disk的速度，提供更好的資料整體性。有些公司使用自製的硬體透過PC中的PCI匯流排，將資料從DAQ裝置直接寫入儲存裝置中。這種stream-to-disk的速度受限於PCI匯流排的頻寬，在大部份的電腦上理論值是132Mbps。

離線分析

離線分析是為了得到有用的資訊，對擷取進來的資料進行數學運算。離線分析包含從基本量測資料的統計到更高階的訊號頻率分析。離線分析可以和資料記錄應用程式其餘的部份整合，或透過獨立的分析套裝軟體來完成。通常離線分析是和報表產生、歷史資料顯示與資料分享的功能合併。

顯示

大部份的資料記錄應用程式需要某些顯示方式來顯示量測的數值並記錄結果。顯示功能可以進一步劃分成即時資料與歷史資料。當需要觀察目前正被擷取到的資料時需要即時資料。大部份的單機式資料記錄裝置上都會有一個即時資料的顯示元件。歷史資料能觀察到過去擷取並所記錄下來的資料，大部份的單機式資料記錄裝置需要把資料搬移到PC上來顯示歷史資料。利用PC-Based的資料記錄應用程式，可以整合即時顯示與歷史資料到同一個使用者介面。資料顯示工具應該提供直覺式的使用者介面、捲動、放大縮小的能力、游標與常用的客製化的功能。(圖六)是一個典型套裝軟體的歷史資料顯示範例。

《圖六　NI的VI Logger軟體的歷史資料顯示範例》

報表產生

報表產生通常不被認為是資料記錄應用程式的一部份，事實上，幾乎每個資料記錄應用程式都需要報表產生的能力，所記錄的資料需要以某種可呈現的方式表示出來。報表產生可以有效地整合進PC-Based的資料擷取應用軟體中。記錄應用程式可以週期性地產生特定的報表然後發送給適當的人，更強大的商用軟體擁有更先進的功能來將量測的資料進行分析並產生報表。(圖七)是在商用軟體中可能用到的報表產生範例。選擇軟體來進行報表產生時，能和資料記錄軟體緊密整合是很重要的，記錄軟體需能夠傳送資料到報表產生軟體中並自動產生報表。

《圖七　NI的DIAdem具備先進報表產生功能》

資料分享與發佈

為了讓記錄的資料能發生作用，應該讓正確的人能夠讀取，以目前資料記錄的網路技術，分享資料與發佈到網路上不再需要專業的電腦技術。資料記錄程式可以設定將擷取到的即時資料發佈到網路上，將週期性的e-mail原始資料與分析過的結果給特定人士，或是自動在網頁上公佈報告。

目前在廣泛分佈的資料記錄程式，每一個記錄程式都可以發佈它的量測資料到網路上，並且一部主要的電腦可以當成中央處理設備。中央電腦從各個應用程式得到資料，組合它們來進行進一步的分析，記錄下結果以便將來的利用，並且週期性的產生報表與分析資料。

資料記錄系統

上文已經介紹過資料記錄系統中的元件功能，下文將繼續介紹如何將這些元件實際用於一個真實的系統中。所有PC-Based的資料記錄系統都由軟體與硬體組成，量測硬體處理擷取的部份，同時硬體的選擇也決定了通道數目、感測器種類、擷取速率與量測準確度。而量測軟體，除了要控制硬體，也處理線上分析、記錄、離線分析、顯示、報表產生與資料分享的功能。

軟體選擇

在定義一個PC-Based的資料記錄系統時，選擇軟體是最重要的步驟之一。根據軟體的功能，可以有一個高生產力、有彈性的解決方案。量測軟體必須和硬體緊密整合，除了基本擷取資料與記錄資料至磁碟機的功能外，軟體應該提供工具來處理設定量測硬體、調整資料比例與校正系統的功能。軟體應該處理整個應用程式，包含報表產生、分析、儲存與分享。在PC-Based記錄應用程式中，軟體通常有兩個類別，一個是管理軟體，也就是設定程式，另一個是應用程式開發環境。

設定應用程式是現成的記錄軟體，能夠操作量測硬體來擷取並記錄資料。這些程式提供易於操作的使用者介面環境來設定記錄工作並且能夠很快上手。一個好的設定軟體應該提供：

這種設定軟體的缺點是除非有客製化的方法，不然就被限定在廠商提供的功能中。如果量測的功能需要改變或需要加上不同種的量測訊號，這類軟體可能就無法達到需求。另外，如果想要整合離線分析、報表產生與網路連接到系統中，封閉式的軟體程式就會有困難。有些管理軟體提供方法讓使用者可以客製化並和常用的應用程式連結，這種工具有兩全其美的好處，既有容易上手的便利性，也有方法在日後整合其它先進的軟體功能。

應用程式開發工具是另一種PC-Based資料記錄系統的選擇，開發工具可以是從文字式到圖形化的開發工具。(圖八)是一個圖形化開發工具的程式碼。利用這類開發工具，可以建立客製化，完全符合需求的應用程式，也可以在有需要時修改程式碼，整合分析與報表產生的功能，並讓資料記錄系統完全自動化。

《圖八　NI的LabVIEW圖形化程式範例》

為了開發資料記錄應用程式，必須選擇一套擁有創造PC-Based記錄系統能力的開發環境。在評估開發環境時，需考慮的特色有：

要選擇管理軟體或開發工具要根據資料記錄程式的複雜性和需要客製化的程度來決定。不論選一種選擇，軟體廠商專精於量測與電腦之間的連接及提供高品質的服務是很重要的。

硬體選擇

資料記錄系統有許多不同的硬體平台，平台的選擇根據體積、操作環境與安裝而不同。這樣的組合似乎有無窮的選擇，PC-Based資料記錄系統大致可以分成四個主要的類別：可攜式、桌上型、機架/工業式與分散式。PC-Based資料記系統的主要好處之一，是同一個程式可以在各個不同的平台上執行。

許多不同的場合都需要可攜式資料記錄記系統，例如行車資料記錄或是野外設備測試。可攜式PC-Based的解決方案使用筆記型電腦與專為攜帶式設計的量測硬體。(圖九)是可攜式PC-Based資料記錄系統，其數位器是插入式的PCMCIA資料擷取卡，連接到如筆記型電腦大小般的訊號處理裝置。因為體積的關係，可攜式系統的通道數通常少於40個通道。

《圖九　可攜式PC-Based資料擷取系統》

桌上型系統，正如圖三所示，使用為標準桌上型PC設計的量測硬體。桌上型系統很適合廣泛使用在實驗室的應用中，例如驗證新產品設計。因為桌上型系統較不受體積限制，訊號連接與訊號處理通常是以前端的訊號處理系統來完成，因此能量測許多不同的感測器與訊號種類，也能很容易地擴充到數百個通道。

許多桌上型的系統體積太大，無法適用於當時的環境中，例如某些實驗室或製造設備。這時，小而簡便的模組化解決方案（例如以PXI或CompactPCI為基礎的工業用PC）可能就是更適合的資料記錄解決方案。(圖十)顯示一個PXI-Based的資料記錄系統。一個模組化系統包含了PC、DAQ模組、訊號處理與連接。這些系統被設計成可安裝在機架上，因此可以很容易地使用在工業或實驗室環境中。

《圖十　機架式的PC-Based工業用資料記錄系統》

最後，有些資料記錄系統需要獨立在PC之外，此時需要從設備四週的許多區域記錄資料，例如在化學工廠中記錄效能的參數。分散式記錄系統體積必須很小足以裝在機架上，並能在廣泛的溫度範圍中操作。利用分散式記錄系統，通常有很多個量測節點，透過通訊連接例如RS-485或乙太網路和中央電腦通訊。(圖十一)是分散式系統的例子。

《圖十一　分散式資料記錄系統》

記錄平台的選擇依據資料記錄系統之需求，有些系統可能要不同平台混合，以適當設計的軟硬體。資料記錄系統可以從實驗室中的簡單、低通道數到工業用的高通道數、分散式記錄系統。

結論

使用資料記錄，科學家和工程師可以測量不同的現象，從天氣到工廠效能。PC-Based資料記錄系統提供彈性、客製化與整合。要定義一個資料記錄系統，必須評估資料擷取、記錄、離線分析、顯示、報表產生與資料分享的需求，根據這些要求，便可選擇適當的資料記錄軟體和硬體以符合需求。（作者為NI美國國家儀器應用工程師）

延 伸 閱 讀	去年的 NIDays 第三屆虛擬儀控有獎徵文比賽中，獲獎的中科院飛彈火箭所團隊介紹了如何藉由 NI-PXI 解決方案及 LabVIEW 軟體，有效整合 CAN-bus 分散式控制、運動控制、訊號擷取等介面，完成一套模組化、可快速換裝於實驗室與實際車輛，同時具備多工及多 IO 控制功能之輕軌電車即時行控系統。相關介紹請見「虛擬儀控協助建構輕軌電車即時行控系統」一文。 如何判斷一部示波器是否適合工作上的需求？如何評斷一部示波器是一部好的儀器？相信使用者心中一定會浮現出許許多多的想法與專有名詞，例如：頻寬、取樣率、記憶長度、螢幕大小、算術運算能力等等。你可在「示波器特性深度解析」一文中得到進一步的介紹。 量測效率的提升，可以直接提升生產力，更可縮短上市時程，所以如何提升量測效率一直是重要的課題。在「如何提升量測效率-LabVIEW7」一文為你做了相關的評析。

市場動態

利用 NI 的軟硬體測試方案， Flextronics 建構出名為 FTS （ Flextronics Test Standardization ）的標準化測試平台，每年因此節省了數百萬美元的測試成本。相關介紹請見「NI測試平台為Flextronics每年節省上百萬美元成本」一文。 NI （美商國家儀器）日前推出高密度 PXI 交換模組，可以同時將 3,000 個以上的通道結合至一個數位萬用電表中，並且僅使用一個 3U PXI 機架，使自動化測試工程師可以使用 NI 的 PXI 平台建立高密度資料記錄及通道掃瞄應用程式，適用於汽車、航太及消費性電子測試的資料記錄應用。你可在「NI將PXI應用延伸至高通道數資料記錄領域」一文中得到進一步的介紹。 由美商國家儀器台灣分公司（ National Instruments ； NI ）主辦之年度虛擬儀控盛會” NI Days 2004 ”，日前於台北喜來登飯店圓滿落幕，今年總計吸引了 700 位工程精英與會。 在「NI Days 2004吸引700多位工程精英共襄盛舉」一文為你做了相關的評析。