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數(shù)據(jù)采集（DAQ）基礎(chǔ)知識(shí)
數(shù)據(jù)采集(DAQ)基礎(chǔ)知識(shí)
現(xiàn)今,，在實(shí)驗(yàn)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(shù)科研人員和工程師使用配有PCI,、PXI/CompactPCI、PCMCIA,、USB,、IEEE1394、ISA,、并行或串行接口的個(gè)人電腦（PC）采集數(shù)據(jù),。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)采集硬件和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：
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PC
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傳感器
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信號(hào)調(diào)理
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數(shù)據(jù)采集硬件
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軟件
本文介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，并解釋各個(gè)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,。
二、個(gè)人電腦(PC)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所使用的計(jì)算機(jī)會(huì)大大地影響連續(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和PowerPC級的處理器,，它們能結(jié)合更高性能的PCI、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(tái)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(huì)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(huì)大大影響數(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(gè)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,、ISA和IEEE1394設(shè)備可以支持DMA和中斷傳送方式,，而PCMCIA和USB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(huì)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(huì)大大降低數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)到硬盤的最大速率。對于要求采集高頻信號(hào)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(chǔ)到磁盤時(shí)使用另一個(gè)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(hào)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?，如?shù)字信號(hào)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(tái),。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(tái),。傳統(tǒng)平臺(tái)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,。
三,、傳感器和信號(hào)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(hào)。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(hào),。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(hào),。 為了適合數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號(hào)必須經(jīng)過處理,。為了更精確地測量信號(hào),，信號(hào)調(diào)理配件能放大低電壓信號(hào)，并對信號(hào)進(jìn)行隔離和濾波,。此外,，某些傳感器需要有電壓或電流激勵(lì)源來生成電壓輸出。圖2顯示了帶有NI SCXI信號(hào)調(diào)理配件的典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。
信號(hào)調(diào)理配件可用于各種重要的應(yīng)用放大功能--放大是最為普遍的信號(hào)調(diào)理功能,。例如，需要對熱電偶的信號(hào)進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲,。為了得到最高的分辨率,，要對信號(hào)放大以使調(diào)理后信號(hào)的最大電壓范圍和ADC的最大輸入范圍相等。又例如,，SCXI有多種信號(hào)調(diào)理模塊可以放大輸入信號(hào),。在臨近傳感器的SCXI機(jī)箱內(nèi)對低電壓信號(hào)進(jìn)行放大，然后把放大后的高電壓信號(hào)傳送到PC,，從而最大限度地降低噪聲對讀數(shù)的影響,。
隔離功能--另一種常見的信號(hào)調(diào)理應(yīng)用是為了安全目的把傳感器的信號(hào)和計(jì)算機(jī)相隔離。被監(jiān)測的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓,，如果不使用信號(hào)調(diào)理,， 這種高壓會(huì)對計(jì)算機(jī)造成損害。
使用隔離的另一原因是為了確保插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的讀數(shù)不會(huì)受到接地電勢差或共模電壓的影響,。當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入和所采集的信號(hào)使用不同的參考"地線",，而一旦這兩個(gè)參考地線有電勢差，就會(huì)帶來麻煩,。這種電勢差會(huì)產(chǎn)生所謂的接地回路,，這樣就將使所采集信號(hào)的讀數(shù)不準(zhǔn)確；或者如果電勢差太大,，它也會(huì)對測量系統(tǒng)造成損害,。使用隔離式信號(hào)調(diào)理能消除接地回路并確保信號(hào)可以被準(zhǔn)確地采集,。例如，SCXI-1120和SCXI-1121模塊能提供高達(dá)250 Vrms的共模電壓隔離,，SCXI-1122能提供高達(dá)450 Vrms電壓隔離,。
多路復(fù)用功能--多路復(fù)用是使用單個(gè)測量設(shè)備來測量多個(gè)信號(hào)的常用技術(shù)。模擬信號(hào)的信號(hào)調(diào)理硬件常對如溫度這樣緩慢變化的信號(hào)使用多路復(fù)用方式,。ADC采集一個(gè)通道后,，轉(zhuǎn)換到另一個(gè)通道并進(jìn)行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個(gè)通道,，如此往復(fù),。由于同一個(gè)ADC可以采集多個(gè)通道而不是一個(gè)通道，每個(gè)通道的有效采樣速率和所采樣的通道數(shù)呈反比,。例如,，1MS/s的PCI-MIO-16E-1采樣通道為10個(gè)，那么每個(gè)通道的有效采集速率大約為：
由于模擬信號(hào)的模擬SCXI模塊采用多路復(fù)用技術(shù),，一個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以測量多達(dá)3,072個(gè)信號(hào),。使用AMUX-64T模擬多路復(fù)用器，您可以使用一個(gè)設(shè)備來測量256個(gè)信號(hào),。所有內(nèi)置有多路復(fù)用器的數(shù)據(jù)采集設(shè)備也具備這一特性,。
濾波功能--濾波器的功能是指在您所測量的信號(hào)中濾除不需要的信號(hào)。噪聲濾波器用于如溫度這樣直流信號(hào),，它可以衰減那些降低測量精度的高頻信號(hào),。例如，許多SCXI模塊在使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備對信號(hào)數(shù)字化前使用4 Hz和10 kHz的低通濾波器來濾除噪聲,。
如振動(dòng)這樣的交流信號(hào)常常需要另一種被稱為抗混頻的濾波器,。像噪聲濾波器一樣，抗混頻濾波器也是低通濾波器,；然而,，它需要有非常陡的截止速率，從而可以濾除信號(hào)中所有高于設(shè)備輸入波段的頻率,。如果這些頻率沒有被濾除,，它們將會(huì)作為信號(hào)錯(cuò)誤地出現(xiàn)在設(shè)備輸入帶寬中。專為測量交流信號(hào)而設(shè)計(jì)的設(shè)備--NI 455x,、NI 445x和NI 447x動(dòng)態(tài)信號(hào)采集（DSA）設(shè)備,，NI6115同步采樣多功能I/O設(shè)備，SCXI-1141模塊都有內(nèi)置的抗混頻濾波器,。
激勵(lì)功能--對于某些傳感器信號(hào)調(diào)理也能提供激勵(lì)源。例如,，應(yīng)力計(jì),、熱敏電阻器和RTD需要有外部電壓或電流激勵(lì)信號(hào)。用于這些傳感器的信號(hào)調(diào)理模塊常用來提供激勵(lì)信號(hào)。RTD測量常使用電流源來把電阻上的變化量轉(zhuǎn)化為可測量電壓,。應(yīng)力計(jì)是阻值非常低的電阻設(shè)備,，常用于配有電壓激勵(lì)源的惠斯通電橋。SCXI-1121和SCXI-1122有板載的激勵(lì)源,，可配置為電流或電壓激勵(lì),，從而可用于壓力計(jì)、熱敏電阻器或RTD,。
線性化功能--另一種常見的信號(hào)調(diào)理功能是線性化功能,。許多傳感器，如熱電偶,，對被測量的物理量的響應(yīng)是非線性的,。NI的NI-DAQ、LabVIEW,、Measurement Studio和VirtualBench等應(yīng)用軟件包包含了應(yīng)用于熱電偶,、壓力計(jì)和RTD的線性化功能。
您需要了解您的信號(hào)的特性,，用于測量信號(hào)的配置以及系統(tǒng)周圍環(huán)境的影響,。根據(jù)這些信息，您才可以確定您的DAQ系統(tǒng)是否需要使用信號(hào)調(diào)理,。