數據采集(DAQ)基礎知識

　　簡(jiǎn)介

　　現今，在實(shí)驗室研究、測試和測量以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，絕大多數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的數據采集系統。許多應用使用插入式設備采集數據并把數據直接傳送到計算機內存中，而在一些 其它應用中數據采集硬件與PC分離，通過(guò)并行或串行接口和PC相連。從基于PC的數據采集系統中獲取適當的結果取決于圖示一中的各項組成部分：

　　· PC

　　· 傳感器

　　· 信號調理

　　· 數據采集硬件

　　· 軟件

　　本文詳細介紹了數據采集系統的各個(gè)組成部分，并解釋各個(gè)部分最重要的準則。本文也定義了用于基于PC的數據采集系統組成部分的許多通用術(shù)語(yǔ)。

　　圖1 典型的基于PC的DAQ系統

　　個(gè)人電腦(PC)

　　數據采集系統所使用的計算機會(huì )極大地影響連續采集數據的最大速度，而當今的技術(shù)已可以使用Pentium級別以及多核的處理器，它們能結合更高性能 的PCI/PCI Express、PXI/CompactPCI和IEEE1394(火線(xiàn))總線(xiàn)以及傳統的ISA總線(xiàn)和USB總線(xiàn)。PCI總線(xiàn)和USB接口是目前絕大多數 臺式計算機的標準設備，而ISA總線(xiàn)已不再經(jīng)常使用。隨著(zhù)PCMCIA、USB和IEEE 1394的出現，為基于桌面PC的數據采集系統提供了一種更為靈活的總線(xiàn)替代選擇。對于使用RS-232或RS-485串口通信的遠程數據采集應用，串口 通信的速率常常會(huì )使數據吞吐量受到限制。在選擇數據采集設備和總線(xiàn)方式時(shí)，請記住您所選擇的設備和總線(xiàn)所能支持的數據傳輸方式。

　　計算機的數據傳送能力會(huì )極大地影響數據采集系統的性能。所有PC都具有可編程I/O和中斷傳送方式。目前絕大多數個(gè)人電腦可以使用直接內存訪(fǎng)問(wèn) (Direct memory access，DMA)傳送方式，它使用專(zhuān)門(mén)的硬件把數據直接傳送到計算機內存，從而提高了系統的數據吞吐量。采用這種方式后，處理器不需要控制數據的傳 送，因此它就可以用來(lái)處理更復雜的工作。為了利用DMA或中斷傳送方式，您的數據采集設備必須能支持這些傳送類(lèi)型。例如，PCI、USB設備可以支持 DMA和中斷傳送方式，而PCMCIA設備只能使用中斷傳送方式。所選用的數據傳送方式會(huì )影響您數據采集設備的數據吞吐量。

　　限制采集大量數據的因素常常是硬盤(pán)，磁盤(pán)的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間和硬盤(pán)的分區會(huì )極大地降低數據采集和存儲到硬盤(pán)的最大速率。對于要求采集高頻信號的系統，就需要 為您的PC選擇高速硬盤(pán)，從而保證有連續(非分區)的硬盤(pán)空間來(lái)保存數據。此外，要用專(zhuān)門(mén)的硬盤(pán)進(jìn)行采集并且在把數據存儲到磁盤(pán)時(shí)使用另一個(gè)獨立的磁盤(pán)運 行操作系統。

　　對于要實(shí)時(shí)處理高頻信號的應用，需要用到32位的高速處理器以及相應的協(xié)處理器或專(zhuān)用的插入式處理器，如數字信號處理(DSP)板卡。然而，對于在一秒內只需采集或換算一兩次數據的應用系統而言，使用低端的PC就可以滿(mǎn)足要求。

　　在滿(mǎn)足您短期目標的同時(shí)，要根據投資所能產(chǎn)生的長(cháng)期回報的最大值來(lái)確定選用何種操作系統和計算機平臺。影響您選擇的因素可能包括開(kāi)發(fā)人員和最終用戶(hù) 的經(jīng)驗和要求、PC的其它用途(現在和將來(lái))、成本的限制以及在您實(shí)現系統期間內可使用的各種計算機平臺。傳統平臺包括具有簡(jiǎn)單的圖形化用戶(hù)界面的Mac OS，以及Windows 9x。此外，Windows NT 4.0和Windows 2000能提供更為穩定的32位OS，并且使用起來(lái)和Windows 9x類(lèi)似。Windows 2000是新一代的Windows NT OS，它結合了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。

　　傳感器和信號調理

　　傳感器感應物理現象并生成數據采集系統可測量的電信號。例如，熱電偶、電阻式測溫計(RTD)、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉變?yōu)槟M數字轉 化器(analog-to-digital ，ADC)可測量的模擬信號。其它例子包括應力計、流速傳感器、壓力傳感器，它們可以相應地測量應力、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。