数据记录是相当普及的量测应用。在大部份的情况下，数据记录是量测与记录物理或电子参数一段时间，数据可能是温度、应变、位移、流量、压力、电压、电流、电阻、功率或任何其它参数。真实世界的数据记录应用通常不只有量测与记录，还包含了在线或脱机的分析、显示、报表产生与数据分享等。除此之外，许多数据记录的应用还需同时记录其它不同种类的数据，例如在车辆撞击测试中，量测数值数据的同时并记录声音与影像。

数据记录被大量应用在各种领域中。化学家在实验室中做实验时需记录如温度、pH值与压力；设计工程师在评估产品设计时需要记录如震动、温度与电池的电量；土木工程师为了评估桥梁安全性，需要长时间记录桥梁的应变与负重；地质学家在钻探油井时需要量测记录矿物的变形；酿酒厂在酿酒与保存时要记录环境参数来确保质量。

数据记录的应用还有许多，但它们都有一个共通的需求。这篇文章将说明数据记录的共通背景、讨论大部份应用的不同功能需求与一些目前可供工程师与科学家使用的PC-Based的数据记录的软硬件。

《图一 PC-Based数据记录应用－－冷藏柜性能测试》

历史背景

最早的数据必须手动将模拟仪器例如温度计或压力计等数据记录下来。这些数据以手写的方式随观察时间记录，为了显示出随时间时变化的趋势，人们将这些数据以图形的方式手绘在图表上。在19世纪晚期，开始有能力利用机器将这个过程自动化。模拟仪器的图形记录器将传感器的电子讯号转换成机器手臂的移动，然后将一枝笔附着在机器手臂的末端，一卷纸随着时间卷动，笔就将数据绘在纸上。这种记录方式相对于手动记录来说是一大突破，但仍有缺点。例如将纸上的轨迹翻译成有意义的工程单位是冗长而沈闷的过程，并且这种方式需要大量纸张。

在1970与80年代，随着个人计算机的发展，人们开始使用计算机来分析数据，储存数据与产生报表。将数据送进计算机中的需求促成了一种新的，专门用来记录数据的设备诞生－－数据记录器。数据记录器是独立的单机式仪器，可以量测讯号，转换成数字数据，并且在内部储存数据。这些数据必须传送至个人计算机来分析、永久保存与产生报表。将数据从数据记录器传送至计算机的方式，一般是透过人工来移动行动式储存装置（例如磁盘片）或透过在数据记录器与计算机之间的某种通讯连接线，例如串行端口或以太网络。

到了1990年代，数据记录进一步演进成PC-Based的系统。这些系统除了原本现代计算机的永久储存、分析、产生报表与显示功能外，还结合了单机式仪器的撷取与储存能力。PC-Based数据记录系统带来了数据记录过程的完全自动化。促成数据记录系统转移至PC-Based的过程依赖三样科技的进步：

现在，PC-Based数据记录系统提供了广泛的量测形式、分析能力与报表工具。本文接着将讨论PC-Based数据记录系统所需要的功能。

数据记录功能需求

每个数据记录的应用，从15世纪手工记录天气的改变，到21世纪记录核融合的实验参数，都可以分成五个主要的功能需求，如(图二)所示。撷取（Acquire）是实际量测物理参数并传送到记录系统的过程。在线分析（Online Analysis）指任何对正在撷取的数据所做的分析。包含警示、比例调整或控制等。记录（Log）或储存数据，则是每个数据记录系统的明显需求。脱机分析（Offline Analysis）是为了得到有用的信息，对已经撷取完成的数据所做的一切分析。最后一个部份是呈现、报表与数据分享（Display、Sharing、Reporting），属于数据记录系统中比较琐碎的项目。现在来看看这些功能在现代的PC-Based数据记录统中如何完成。

《图二 数据记录系统的基本组成组件》

撷取（Acquire）

撷取在每个数据记录系统中是最重要的功能之一。在一个PC-Based的系统中，撷取是由量测硬件来完成的，如(图三)所示，量测硬件可以再分成传感器（Sensors）、讯号连接（Singal Connectivity）与模拟数字转换（Analog-to-Digital Conversion）。

《图三 PC-Based数据记录系统中的量测硬件组件》

传感器

各种不同的传感器被用将物理参数转换成数字讯号。温度传感器例如热电偶、RTD、热阻器是一些在数据记录系统中用来量测温度的传感器。其它广泛被使用的传感器有流量计、压力计、应变规、加速规与麦克风等。传感器的选择与安装则不在本文的讨论范围之内。

讯号连接

安装好传感器之后，必须连接到数据记录系统。讯号连接是连接传感器与数据记录系统之间组件。端子台是最基本的连接形式，可以让传感器的裸线连接数据记录系统，是在一般用途下很好的选择，特别是当需要在狭小的空间下连接大量的讯号时。但缺点是连接这些线路很花时间同时不容易重新设定。(图四)列出一些其它标准的连接端子，可以让连接或拔除传感器较为容易。Minithermocouple在使用热电偶时是常见的接头。在需要电子的抗噪声干扰时，BNC与SMB连接器常被使用。在量电流、电阻或高电压时可使用香蕉接头（Banana Jack）。传感器厂商通常为一种传感器提供一些连接的选择，工程师可以根据硬件来选择连接器。

《图四 讯号连接器的选择》

讯号处理

在PC-Based数据记录系统中，讯号处理是最重要的组件之一，但也是最容易被忽视的。大部份的讯号在数字化之前都需要某种程度的处理。例如，热电偶产生的电压相当小，需要放大、滤波与线性化。其它传感器例如RTD、热阻器、应变规与加速规，需要外加电源以放大和滤波，其它讯号需要与高电压隔离来保护系统。就算纯粹的电压源，为了安全的缘故，也可能需要特殊的技术来阻挡过大的共模讯号或衰减高电压。没有一种单机式的数据记录器能提供满足所有这些需求的弹性。然而，若搭配前端的讯号处理，可以结合必要的科技将各种不同的讯号量测整合进一部PC-Based的数据记录系统。

因为讯号处理技术相当广泛，每种技术的角色和需求可能令人混淆，以下列出常见的讯号处理方法，它们的功能与一些例子。

大部份传感器需要这些讯号处理的组合。再以热电偶为例，它需要放大、线性化、冷点补偿、滤波，有时还需要隔离。理想的PC-Based数据撷取平台应该能够选择应用所需要的讯号处理方式。在某些系统中，前端的讯号处理是选择性的，但是在其它系统中，前端讯号处理是量测所必须的。要记住，如果想要使用以下任何一种传感器，热电偶、RTD、热阻器、应变规、LVDT、加速规、切换器、多任务器、低/高电压混合讯号、电流输入或电阻时，都会需要前端的讯号处理。

转换

在物理量被转换成电子讯号并适当处理过后，就可以把模拟讯号转换成数字讯号然后将这些数值传回计算机中。这个模拟转换成数字的过程可以用插入式的数据撷取卡来完成（DAQ），或可以整合进讯号处理与连接的装置。

包含传感器、讯号连接、讯号处理与模拟转换成数字的过程组成了数据记录系统的硬件部份。在一个PC-Based的系统中，量测硬件由软件来设定与控制，软件能和数据记录系统紧密的整合是相当重要的。

在线分析

在数据记录系统中下一个功能组件就是在线分析。PC-Based的在线分析是由软件来完成，各种不同的数据记录应用需要许多不同型式的在线分析。下文将讨论一些最常见的技术。

比例缩放是将撷取系统得到的二进制数据转成适当比例的工程单位，其中一个例子是将热电偶所量测到的数字数据转换成摄氏温度。数字器传来的是热电偶电压和冷点补偿电压的二进制量测数据，软件将二进制数据转换成电压、然后使用热电偶转换公式来计算温度。类似的比例缩放方法还用在应变规、RTD、加速规和其它传感器上。很幸运的，现在的PC-Based量测软件已经能够处理大部份的比例缩放工作。

另一个重要的在线分析功能是警示与事件管理，其可监视一个信道并在超过某一个限制时提出警告。这可以是打开一个基本的警示灯，或通知问题的复杂信息。警示也包含了对某些事件的自动反应，例如当油的温度超过某个上限时，数据记录系统可以自动关闭机器。

不同的数据记录应用需要各种不同的分析功能，这些功能可能包含回馈控制系统或先进的讯号分析。只有PC-Based数据记录系统拥有实现这些不同需求的弹性。

记录与储存

记录（或储存）的功能在定义上就是每一个数据记录系统所必须有的。记录的方法随着系统的不同而有很大的差异。图表记录器使用纸，传统的数据记录器可以使用内部的非挥发性内存、软盘片或是其它不同的媒介。PC-Based的数据记录系统通常使用PC的硬盘，有时也可以使用磁带机、网络驱动器、磁盘阵列与其它特有的装置来储存。

软件在PC-Based的数据记录中是相当重要的，因为软件的设计决定了数据如何被储存、储存速度与磁盘空间如何被有效的利用。记录软件也具备管理数据的能力，例如改变数据格式，读取数据与存取数据库。

数据单元格式、数据记录系统的效能及使用上的便利性有很直接的关系。有三种常被使用的格式－－ASCII文字、二进制与数据库档案。

ASCII文字是最常使用也是最具弹性的存盘格式。数据记录系统的文本文件通常由标头与测试数据域组合而成。标头包含了信道名称、工程单位、测试设备用户说明等。测试数据域的第一栏通常是取样的时间，随后的字段通常是记录各个信道的数据。因为文本文件几乎可以被任何软件打开或汇入，也可以在操作系统之间转换。但文本文件在磁盘空间上比较没有效率，而且在档案读写时需要额外的处理。通常在撷取频率比较小（1000samples/sec）时总撷取数据量不大，且用户需要在不同的应用程序间分享数据时使用文字格式档案。

二进制格式档案是最有效的数据单元格式，计算机直接将内存中的原始位数据写入档案中。这种储存方式比起ASCII文字格式明显少占用许多储存空间，在储存时也需要比较少的处理器资源。二进制格式的档案不能显示在一般的软件例如Microsoft Excel中，它们必须由特殊的软件来转换成有意义的数据。使用PC-Based数据记录系统，可以记录已经转换成正确工程单位的数据，或是可以记录由数字器传回来的原始二进制数据。若是16位的数据捕获设备，原始的二进制数据可表示出每一个取样点在记忆中的16位的数据，或是2个字节的数据。记录软件中的比例缩放函数自动将这些原始数据转换成量测到的真实数值。在数据记录软件中缩放过后的数据一般是以精确的浮点数来处理，在大部份的计算机中占8个字节。

为了效能的关系，一般高速的数据记录系统可能将二进制数据记录至磁盘中，并随后记录必要的比例缩放转换常数。(图五)显示出二进制格式、比例缩放后格式与ASCII文字格式的关系。使用二进制数据，需要较少的磁盘空间，也有较快的stream-to-disk功能。储存同样的数据量，二进制格式只需要文字格式十分之一不到的储存空间，只是在和其它应用程序分享数据时需要经过转换。

《图五 数据储存盘案大小范例》

许多数据记录软件将数据写入数据库中。数据库一般拥有结构化的格式来插入或取出二进制数据，并且经过优化来有效的处理大量数据，以便在搜寻时不用将所有的数据读入内存中。数据库通常也设计成容易备份、取得数据或供多位用户同时使用。在软件上它们通常能很容易地导出数据到不同的软件包中来分析或产生报表。在许多方面，数据库都是PC-Based数据记录系统的理想单元格式。数据库的两个缺点是它们会增加系统的复杂度，并且使用时较难入门。

数据记录使用许多不同的储存媒介。单机式的数据记录器可以使用非发挥性内存、软盘片、PCMCIA记忆卡、磁带或是其它储存装置。PC-Based数据记录系统经常使用PC内部的硬盘。现在数十GB的硬盘是最经济的储存设备之一。最好有周期性地备份数据在硬盘中的习惯。

高速数据记录应用（超过1M samples/second）可能超过一般PC硬盘的写入速度极限。PC-Based数据记录系统的好处之一就是可以将设备移到高效能的储存装置或更高效能的计算机上，而记录系统的软件或量测硬件几乎不用或只需要一点点的修改。另一种高效能的储存装置是RAID（独立磁盘多重数组），RAID使用多个磁盘驱动器以改进stream-to-disk的速度，提供更好的数据整体性。有些公司使用自制的硬件透过PC中的PCI总线，将数据从DAQ装置直接写入储存装置中。这种stream-to-disk的速度受限于PCI总线的带宽，在大部份的计算机上理论值是132Mbps。

脱机分析

脱机分析是为了得到有用的信息，对撷取进来的数据进行数学运算。脱机分析包含从基本量测数据的统计到更高阶的讯号频率分析。脱机分析可以和数据记录应用程序其余的部份整合，或透过独立的分析软件包来完成。通常脱机分析是和报表产生、历史数据显示与数据分享的功能合并。

显示

大部份的数据记录应用程序需要某些显示方式来显示量测的数值并记录结果。显示功能可以进一步划分成实时数据与历史数据。当需要观察目前正被撷取到的数据时需要实时数据。大部份的单机式数据记录装置上都会有一个实时数据的显示组件。历史数据能观察到过去撷取并所记录下来的数据，大部份的单机式数据记录装置需要把数据搬移到PC上来显示历史数据。利用PC-Based的数据记录应用程序，可以整合实时显示与历史数据到同一个用户接口。数据显示工具应该提供直觉式的用户接口、卷动、放大缩小的能力、光标与常用的客制化的功能。(图六)是一个典型软件包的历史数据显示范例。

《图六 NI的VI Logger软件的历史数据显示范例》

报表产生

报表产生通常不被认为是数据记录应用程序的一部份，事实上，几乎每个数据记录应用程序都需要报表产生的能力，所记录的数据需要以某种可呈现的方式表示出来。报表产生可以有效地整合进PC-Based的数据撷取应用软件中。记录应用程序可以周期性地产生特定的报表然后发送给适当的人，更强大的商用软件拥有更先进的功能来将量测的数据进行分析并产生报表。(图七)是在商用软件中可能用到的报表产生范例。选择软件来进行报表产生时，能和数据记录软件紧密整合是很重要的，记录软件需能够传送数据到报表产生软件中并自动产生报表。

《图七 NI的DIAdem具备先进报表产生功能》

数据分享与发布

为了让记录的数据能发生作用，应该让正确的人能够读取，以目前数据记录的网络技术，分享数据与发布到网络上不再需要专业的计算机技术。数据记录程序可以设定将撷取到的实时数据发布到网络上，将周期性的e-mail原始数据与分析过的结果给特定人士，或是自动在网页上公布报告。

目前在广泛分布的数据记录程序，每一个记录程序都可以发布它的量测数据到网络上，并且一部主要的计算机可以当成中央处理设备。中央计算机从各个应用程序得到数据，组合它们来进行进一步的分析，记录下结果以便将来的利用，并且周期性的产生报表与分析数据。

数据记录系统

上文已经介绍过数据记录系统中的组件功能，下文将继续介绍如何将这些组件实际用于一个真实的系统中。所有PC-Based的数据记录系统都由软件与硬件组成，量测硬件处理撷取的部份，同时硬件的选择也决定了信道数目、传感器种类、撷取速率与量测准确度。而量测软件，除了要控制硬件，也处理在线分析、记录、脱机分析、显示、报表产生与数据分享的功能。

软件选择

在定义一个PC-Based的数据记录系统时，选择软件是最重要的步骤之一。根据软件的功能，可以有一个高生产力、有弹性的解决方案。量测软件必须和硬件紧密整合，除了基本撷取数据与记录数据至磁盘驱动器的功能外，软件应该提供工具来处理设定量测硬件、调整数据比例与校正系统的功能。软件应该处理整个应用程序，包含报表产生、分析、储存与分享。在PC-Based记录应用程序中，软件通常有两个类别，一个是管理软件，也就是设定程序，另一个是应用程序开发环境。

设定应用程序是现成的记录软件，能够操作量测硬件来撷取并记录数据。这些程序提供易于操作的用户接口环境来设定记录工作并且能够很快上手。一个好的设定软件应该提供：

这种设定软件的缺点是除非有客制化的方法，不然就被限定在厂商提供的功能中。如果量测的功能需要改变或需要加上不同种的量测讯号，这类软件可能就无法达到需求。另外，如果想要整合脱机分析、报表产生与网络连接到系统中，封闭式的软件程序就会有困难。有些管理软件提供方法让用户可以客制化并和常用的应用程序链接，这种工具有两全其美的好处，既有容易上手的便利性，也有方法在日后整合其它先进的软件功能。

应用程序开发工具是另一种PC-Based数据记录系统的选择，开发工具可以是从文字式到图形化的开发工具。(图八)是一个图形化开发工具的程序代码。利用这类开发工具，可以建立客制化，完全符合需求的应用程序，也可以在有需要时修改程序代码，整合分析与报表产生的功能，并让数据记录系统完全自动化。

《图八 NI的LabVIEW图形化程序范例》

为了开发数据记录应用程序，必须选择一套拥有创造PC-Based记录系统能力的开发环境。在评估开发环境时，需考虑的特色有：

要选择管理软件或开发工具要根据数据记录程序的复杂性和需要客制化的程度来决定。不论选一种选择，软件厂商专精于量测与计算机之间的连接及提供高质量的服务是很重要的。

硬件选择

数据记录系统有许多不同的硬件平台，平台的选择根据体积、操作环境与安装而不同。这样的组合似乎有无穷的选择，PC-Based数据记录系统大致可以分成四个主要的类别：可携式、桌上型、机架/工业式与分布式。PC-Based数据记系统的主要好处之一，是同一个程序可以在各个不同的平台上执行。

许多不同的场合都需要可携式数据记录记系统，例如行车数据记录或是野外设备测试。可携式PC-Based的解决方案使用笔记本电脑与专为携带式设计的量测硬件。(图九)是可携式PC-Based数据记录系统，其数字器是插入式的PCMCIA数据撷取卡，连接到如笔记本电脑大小般的讯号处理装置。因为体积的关系，可携式系统的信道数通常少于40个信道。

《图九 可携式PC-Based数据撷取系统》

桌上型系统，正如图三所示，使用为标准桌上型PC设计的量测硬件。桌上型系统很适合广泛使用在实验室的应用中，例如验证新产品设计。因为桌上型系统较不受体积限制，讯号连接与讯号处理通常是以前端的讯号处理系统来完成，因此能量测许多不同的传感器与讯号种类，也能很容易地扩充到数百个信道。

许多桌上型的系统体积太大，无法适用于当时的环境中，例如某些实验室或制造设备。这时，小而简便的模块化解决方案（例如以PXI或CompactPCI为基础的工业用PC）可能就是更适合的数据记录解决方案。(图十)显示一个PXI-Based的数据记录系统。一个模块化系统包含了PC、DAQ模块、讯号处理与连接。这些系统被设计成可安装在机架上，因此可以很容易地使用在工业或实验室环境中。

《图十 机架式的PC-Based工业用数据记录系统》

最后，有些数据记录系统需要独立在PC之外，此时需要从设备四周的许多区域记录数据，例如在化学工厂中记录效能的参数。分布式记录系统体积必须很小足以装在机架上，并能在广泛的温度范围中操作。利用分布式记录系统，通常有很多个量测节点，透过通讯连接例如RS-485或以太网络和中央计算机通讯。(图十一)是分布式系统的例子。

《图十一 分布式数据记录系统》

记录平台的选择依据数据记录系统之需求，有些系统可能要不同平台混合，以适当设计的软硬件。数据记录系统可以从实验室中的简单、低信道数到工业用的高信道数、分布式记录系统。

结论

使用数据记录，科学家和工程师可以测量不同的现象，从天气到工厂效能。PC-Based数据记录系统提供弹性、客制化与整合。要定义一个数据记录系统，必须评估数据撷取、记录、脱机分析、显示、报表产生与数据分享的需求，根据这些要求，便可选择适当的数据记录软件和硬件以符合需求。（作者为NI美国国家仪器应用工程师）

延 伸 阅 读	去年的 NIDays 第三届虚拟仪控有奖征文比赛中，获奖的中科院飞弹火箭所团队介绍了如何藉由 NI-PXI 解决方案及 LabVIEW 软件，有效整合 CAN-bus 分布式控制、运动控制、讯号撷取等接口，完成一套模块化、可快速换装于实验室与实际车辆，同时具备多任务及多 IO 控制功能之轻轨电车实时行控系统。相关介绍请见「虚拟仪控协助建构轻轨电车实时行控系统」一文。 如何判断一部示波器是否适合工作上的需求？如何评断一部示波器是一部好的仪器？相信用户心中一定会浮现出许许多多的想法与专有名词，例如：带宽、取样率、记忆长度、屏幕大小、算术运算能力等等。你可在「示波器特性深度解析」一文中得到进一步的介绍。 量测效率的提升，可以直接提升生产力，更可缩短上市时程，所以如何提升量测效率一直是重要的课题。在「如何提升量测效率-LabVIEW7」一文为你做了相关的评析。

市场动态

利用 NI 的软硬件测试方案， Flextronics 建构出名为 FTS （ Flextronics Test Standardization ）的标准化测试平台，每年因此节省了数百万美元的测试成本。相关介绍请见「NI测试平台为Flextronics每年节省上百万美元成本」一文。 NI （美商国家仪器）日前推出高密度 PXI 交换模块，可以同时将 3,000 个以上的信道结合至一个数字万用电表中，并且仅使用一个 3U PXI 机架，使自动化测试工程师可以使用 NI 的 PXI 平台建立高密度数据记录及信道扫瞄应用程序，适用于汽车、航天及消费性电子测试的数据记录应用。你可在「NI将PXI应用延伸至高信道数数据记录领域」一文中得到进一步的介绍。 由美商国家仪器台湾分公司（ National Instruments ； NI ）主办之年度虚拟仪控盛会” NI Days 2004 ”，日前于台北喜来登饭店圆满落幕，今年总计吸引了 700 位工程精英与会。在「NI Days 2004吸引700多位工程精英共襄盛举」一文为你做了相关的评析。