數(shù)據(jù)采集(DAQ)基礎(chǔ)知識

　　簡介

　　現(xiàn)今，在實(shí)驗(yàn)室研究、測試和測量以及工業(yè)自動化領(lǐng)域中，絕大多數(shù)科研人員和工程師使用配有PCI、PXI/CompactPCI、PCMCIA、 USB、IEEE1394、ISA、并行或串行接口的基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。許多應(yīng)用使用插入式設(shè)備采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)直接傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，而在一些 其它應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集硬件與PC分離，通過并行或串行接口和PC相連。從基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果取決于圖示一中的各項(xiàng)組成部分：

　　· PC

　　· 傳感器

　　· 信號調(diào)理

　　· 數(shù)據(jù)采集硬件

　　· 軟件

　　本文詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個組成部分，并解釋各個部分最重要的準(zhǔn)則。本文也定義了用于基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成部分的許多通用術(shù)語。

　　圖1 典型的基于PC的DAQ系統(tǒng)

　　個人電腦(PC)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所使用的計(jì)算機(jī)會極大地影響連續(xù)采集數(shù)據(jù)的最大速度，而當(dāng)今的技術(shù)已可以使用Pentium級別以及多核的處理器，它們能結(jié)合更高性能 的PCI/PCI Express、PXI/CompactPCI和IEEE1394(火線)總線以及傳統(tǒng)的ISA總線和USB總線。PCI總線和USB接口是目前絕大多數(shù) 臺式計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，而ISA總線已不再經(jīng)常使用。隨著PCMCIA、USB和IEEE 1394的出現(xiàn)，為基于桌面PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種更為靈活的總線替代選擇。對于使用RS-232或RS-485串口通信的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，串口 通信的速率常常會使數(shù)據(jù)吞吐量受到限制。在選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備和總線方式時(shí)，請記住您所選擇的設(shè)備和總線所能支持的數(shù)據(jù)傳輸方式。

　　計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送能力會極大地影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。所有PC都具有可編程I/O和中斷傳送方式。目前絕大多數(shù)個人電腦可以使用直接內(nèi)存訪問 (Direct memory access，DMA)傳送方式，它使用專門的硬件把數(shù)據(jù)直接傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，從而提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。采用這種方式后，處理器不需要控制數(shù)據(jù)的傳 送，因此它就可以用來處理更復(fù)雜的工作。為了利用DMA或中斷傳送方式，您的數(shù)據(jù)采集設(shè)備必須能支持這些傳送類型。例如，PCI、USB設(shè)備可以支持 DMA和中斷傳送方式，而PCMCIA設(shè)備只能使用中斷傳送方式。所選用的數(shù)據(jù)傳送方式會影響您數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐量。

　　限制采集大量數(shù)據(jù)的因素常常是硬盤，磁盤的訪問時(shí)間和硬盤的分區(qū)會極大地降低數(shù)據(jù)采集和存儲到硬盤的最大速率。對于要求采集高頻信號的系統(tǒng)，就需要 為您的PC選擇高速硬盤，從而保證有連續(xù)(非分區(qū))的硬盤空間來保存數(shù)據(jù)。此外，要用專門的硬盤進(jìn)行采集并且在把數(shù)據(jù)存儲到磁盤時(shí)使用另一個獨(dú)立的磁盤運(yùn) 行操作系統(tǒng)。

　　對于要實(shí)時(shí)處理高頻信號的應(yīng)用，需要用到32位的高速處理器以及相應(yīng)的協(xié)處理器或?qū)Ｓ玫牟迦胧教幚砥鳎鐢?shù)字信號處理(DSP)板卡。然而，對于在一秒內(nèi)只需采集或換算一兩次數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)而言，使用低端的PC就可以滿足要求。

　　在滿足您短期目標(biāo)的同時(shí)，要根據(jù)投資所能產(chǎn)生的長期回報(bào)的最大值來確定選用何種操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)平臺。影響您選擇的因素可能包括開發(fā)人員和最終用戶 的經(jīng)驗(yàn)和要求、PC的其它用途(現(xiàn)在和將來)、成本的限制以及在您實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)期間內(nèi)可使用的各種計(jì)算機(jī)平臺。傳統(tǒng)平臺包括具有簡單的圖形化用戶界面的Mac OS，以及Windows 9x。此外，Windows NT 4.0和Windows 2000能提供更為穩(wěn)定的32位OS，并且使用起來和Windows 9x類似。Windows 2000是新一代的Windows NT OS，它結(jié)合了Windows NT和Windows 9x的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢包括固有的即插即用和電源管理功能。

　　傳感器和信號調(diào)理

　　傳感器感應(yīng)物理現(xiàn)象并生成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可測量的電信號。例如，熱電偶、電阻式測溫計(jì)(RTD)、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)槟M數(shù)字轉(zhuǎn) 化器(analog-to-digital ，ADC)可測量的模擬信號。其它例子包括應(yīng)力計(jì)、流速傳感器、壓力傳感器，它們可以相應(yīng)地測量應(yīng)力、流速和壓力。在所有這些情況下，傳感器可以生成和它 們所檢測的物理量呈比例的電信號。