数据采集系统的组成与优化方案

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：数据采集系统随着新型传感技术、微电子技术和计算机技术的发展而得到迅速发展。图3-1 完整的数据采集系统一个完整的数据采集系统通常由原始信号、信号调理设备、数据采集设备和计算机四个部分组成。一个有效的数据采集系统可以测量这一切不同的现象。但目前的趋势是，数据采集系统可以利用软件来解决这一问题。

数据采集系统随着新型传感技术、微电子技术和计算机技术的发展而得到迅速发展。由于目前数据采集系统一般都使用计算机进行控制，因此数据采集系统又叫做计算机数据采集系统。一个完整的数据采集系统如图3-1所示。

图3-1 完整的数据采集系统

一个完整的数据采集系统通常由原始信号、信号调理设备、数据采集设备和计算机四个部分组成。但有的时候，自然界中的原始物理信号并非直接可测的电信号，所以，一般会通过传感器将这些物理信号转换为数据采集设备可以识别的电压或电流信号。加入信号调理设备是因为某些输入的电信号并不便于直接进行测量，因此需要信号调理设备对它进行诸如放大、滤波、隔离等处理，使得数据采集设备更便于对该信号进行精确的测量。数据采集设备的作用是将模拟的电信号转换为数字信号送给计算机进行处理，或将计算机编辑好的数字信号转换为模拟信号输出。计算机上安装了驱动和应用软件，方便与硬件交互，完成采集任务，并对采集到的数据进行后续分析和处理。

1.传感器

传感器作为数据采集系统的第一环节，是系统进行准确测量的基础。传感器的作用是把非电的物理量（如速度、温度、压力等）转变成模拟电量（如电压、电流、电阻或频率）。例如，使用热电偶或热电阻可以获得随着温度变化而变化的电压，转速传感器可以把转速转换为电脉冲等。通常把传感器输出到A-D转换器输出的这一段信号称为模拟通道。常用的传感器种类见表3-1。

表3-1 常用的传感器种类

数据采集始于要被测量的物理现象，可能是房间的温度、光源的强度、空间的压力、应用在物体上的力量，或是其他许多现象。一个有效的数据采集系统可以测量这一切不同的现象。注意，不同的传感器在将现象转换为可测量信号时，都有不同的要求。某些传感器需要电压或电流激发。其他的传感器可能需要额外的组件，甚至是电阻网络（resistivenetworks），才能产生信号。

2.信号调理

有时候传感器产生的信号过于困难或危险，以至无法直接使用数据采集设备进行测量。举例来说，在处理高压电、噪声环境、极高和极低信号，或是同时测量信号之时，信号调理就是高效率数据采集系统的重要部分。信号调理将系统的准确度提升到最大，允许传感器正确地运作，并且保证安全性。信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，因此，除了这些通用功能，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。下面仅介绍信号调理的通用功能。

（1）放大

微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A-D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。

（2）隔离

隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因有两个：一是从安全的角度考虑；另一个原因是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受低电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。

（3）滤波

滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率信号。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。

（4）激励

信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。

（5）线性化

许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。但目前的趋势是，数据采集系统可以利用软件来解决这一问题。

（6）数字信号调理

即使传感器直接输出数字信号，有时也有进行调理的必要。其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整。大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块，使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。

一个典型的通用数据采集设备可以测量或生成+/-5V或+/-10V的信号。而对于某些传感器所产生的信号，若直接使用数据采集设备进行测量或生成，则可能比较困难或会有危险。例如，热电偶的输出信号通常需要放大，才能够使得模-数转换器（ADC）的量程得到充分利用。此外，热电偶所测得的信号还可以通过低通滤波消除高频噪声，从而改善信号质量。信号调理所带来的好处是单纯的数据采集系统无法比拟的，它提高了数据采集系统本身的性能和测量精度。

表3-2总结了针对不同类型的传感器和测量应用所需的常见信号调理措施。

表3-2 针对不同类型的传感器和测量应用所需的常见信号调理措施

如果所使用的传感器已在表3-2中列出，那么应该考虑使用相应的信号调理措施。也可以选择添加外部信号调理措施，或选择使用具有内置信号调理功能的数据采集设备。许多数据采集设备还包括针对某些特定的传感器的内置接口，以方便传感器的集成。

3.数据采集（DAQ）卡

（1）数据采集卡的功能

一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。

模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关（MUX）、放大器、采样保持电路以及A-D来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。A-D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的A-D。

模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器（D-A）的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短、转换率高的D-A可以提供一个较高频率的信号。如果用D-A的输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用速度很快的D-A，因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化。应该根据实际需要选择D-A的参数指标。

数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括数字口路数（line）、接收（发送）率、驱动能力等。如果输出是驱动电动机、灯、开关型加热器等电器，就不必用较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合，而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。但加上适合的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的TTL电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。数字I/O常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。另外一些数字口为了同步通信的需要还有“握手”线。路数、数据转换速率、“握手”能力都是应理解的重要参数，应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字I/O。

许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波等。计数器包括三个重要信号：门限信号、计数信号、输出信号。门限信号实际上是触发信号——使计数器工作或不工作；计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出信号是在输出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意味着计数器可以计更多的数，时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。

（2）数据采集卡的软件配置

一般说来，数据采集卡都有自己的驱动程序，该程序控制采集卡的硬件操作，当然这个驱动程序是由采集卡的供应商提供，用户一般无须通过低层才能与采集卡硬件打交道。

NI公司提供了一个数据采集卡的配置工具软件（Measurement&Automation Explorer，MAX），它可以配置NI公司的软件和硬件，比如执行系统测试和诊断、增加新通道和虚拟通道、设置测量系统的方式、察看所连接的设备等。

4.计算机系统

计算机系统是整个计算机数据采集系统的核心。计算机控制整个计算机数据采集系统的正常工作，进行必要的数据分析和数据处理。计算机还需要把数据分析和处理之后的结果写入存储器以备将来分析和使用，通常还要把结果显示出来。

5.软件

一个完整的数据采集系统需要高效的软件支持。高效的软件需要选择一个能够满足系统应用需求并且随着系统升级可以轻松扩展的软件工具，而且驱动程序必须和软件工具相互兼容，这一点十分重要。此外，应用软件必须能够简单地与系统和数据管理软件集成，来存储大量的数据或各种测试。

（1）驱动软件

驱动软件将计算机和数据采集硬件转变成完整的数据采集、分析及呈现工具。若是没有驱动软件来控制或驱动硬件，数据采集设备就无法正常运作。驱动程序软件是让你能够轻易与硬件沟通的软件层。它构成应用程序软件和硬件之间的中间层。驱动程序软件亦让程序设计师不需要进行缓存器层级的程序设计或复杂的指令，就可以存取硬件功能。

（2）应用程序软件

应用层可以是客户定制的应用程序、并且符合特定条件的开发环境，也可以是以配置为基础、具有预先设计功能的程序。应用程序软件为驱动程序软件增加分析及呈现的功能。要选择正确的应用程序软件，应先评估应用程序的复杂程度，是否能取得符合应用所需配置，以及开发时间等。NI提供三种开发环境软件产品，用于开发完整的仪控、采集及控制应用程序。LabVIEW提供图形化的程序设计方法；LabWindows™/CVI为传统的C程序员服务；Measurement Studio兼容Visual Basic、C++和.NET。

因而，基于计算机的数据采集系统包括硬件和软件两大部分。

数据采集系统的组成与优化方案

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