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數(shù)據(jù)采集（DAQ）基礎知識
數(shù)據(jù)采集(DAQ)基礎知識
現(xiàn)今，在實驗室研究、測試和測量以及工業(yè)自動化領域中，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人電腦（PC）采集數(shù)據(jù)。許多應用使用插入式設備采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)直接傳送到計算機內(nèi)存中，而在一些其它應用中數(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?shù)慕Y(jié)果取決于圖示一中的各項組成部分：
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PC
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傳感器
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信號調(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)的各個組成部分，并解釋各個部分最重要的準則。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、個人電腦(PC)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所使用的計算機會大大地影響連續(xù)采集數(shù)據(jù)的最大速度，而當今的技術(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)臺式計算機的標準設備，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串口通信的遠程數(shù)據(jù)采集應用，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)采集設備和總線方式時，請記住您所選擇的設備和總線所能支持的數(shù)據(jù)傳輸方式。
計算機的數(shù)據(jù)傳送能力會大大影響數(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)直接傳送到計算機內(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)采集設備必須能支持這些傳送類型。例如，PCI、ISA和IEEE1394設備可以支持DMA和中斷傳送方式，而PCMCIA和USB設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，磁盤的訪問時間和硬盤的分區(qū)會大大降低數(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，要用專門的硬盤進行采集并且在把數(shù)據(jù)存儲到磁盤時使用另一個獨立的磁盤運行操作系統(tǒng)。 對于要實時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?qū)Ｓ玫牟迦胧教幚砥?，如?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。
在滿足您短期目標的同時，要根據(jù)投資所能產(chǎn)生的長期回報的最大值來確定選用何種操作系統(tǒng)和計算機平臺。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現(xiàn)系統(tǒng)期間內(nèi)可使用的各種計算機平臺。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。
三、傳感器和信號調(diào)理
傳感器感應物理現(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（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。 為了適合數(shù)據(jù)采集設備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號必須經(jīng)過處理。為了更精確地測量信號，信號調(diào)理配件能放大低電壓信號，并對信號進行隔離和濾波。此外，某些傳感器需要有電壓或電流激勵源來生成電壓輸出。圖2顯示了帶有NI SCXI信號調(diào)理配件的典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
信號調(diào)理配件可用于各種重要的應用放大功能--放大是最為普遍的信號調(diào)理功能。例如，需要對熱電偶的信號進行放大以提高分辨率和降低噪聲。為了得到最高的分辨率，要對信號放大以使調(diào)理后信號的最大電壓范圍和ADC的最大輸入范圍相等。又例如，SCXI有多種信號調(diào)理模塊可以放大輸入信號。在臨近傳感器的SCXI機箱內(nèi)對低電壓信號進行放大，然后把放大后的高電壓信號傳送到PC，從而最大限度地降低噪聲對讀數(shù)的影響。
隔離功能--另一種常見的信號調(diào)理應用是為了安全目的把傳感器的信號和計算機相隔離。被監(jiān)測的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓，如果不使用信號調(diào)理， 這種高壓會對計算機造成損害。
使用隔離的另一原因是為了確保插入式數(shù)據(jù)采集設備的讀數(shù)不會受到接地電勢差或共模電壓的影響。當數(shù)據(jù)采集設備輸入和所采集的信號使用不同的參考"地線"，而一旦這兩個參考地線有電勢差，就會帶來麻煩。這種電勢差會產(chǎn)生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號的讀數(shù)不準確；或者如果電勢差太大，它也會對測量系統(tǒng)造成損害。使用隔離式信號調(diào)理能消除接地回路并確保信號可以被準確地采集。例如，SCXI-1120和SCXI-1121模塊能提供高達250 Vrms的共模電壓隔離，SCXI-1122能提供高達450 Vrms電壓隔離。
多路復用功能--多路復用是使用單個測量設備來測量多個信號的常用技術(shù)。模擬信號的信號調(diào)理硬件常對如溫度這樣緩慢變化的信號使用多路復用方式。ADC采集一個通道后，轉(zhuǎn)換到另一個通道并進行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個通道，如此往復。由于同一個ADC可以采集多個通道而不是一個通道，每個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，那么每個通道的有效采集速率大約為：
由于模擬信號的模擬SCXI模塊采用多路復用技術(shù)，一個數(shù)據(jù)采集設備可以測量多達3,072個信號。使用AMUX-64T模擬多路復用器，您可以使用一個設備來測量256個信號。所有內(nèi)置有多路復用器的數(shù)據(jù)采集設備也具備這一特性。
濾波功能--濾波器的功能是指在您所測量的信號中濾除不需要的信號。噪聲濾波器用于如溫度這樣直流信號，它可以衰減那些降低測量精度的高頻信號。例如，許多SCXI模塊在使用數(shù)據(jù)采集設備對信號數(shù)字化前使用4 Hz和10 kHz的低通濾波器來濾除噪聲。
如振動這樣的交流信號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，從而可以濾除信號中所有高于設備輸入波段的頻率。如果這些頻率沒有被濾除，它們將會作為信號錯誤地出現(xiàn)在設備輸入帶寬中。專為測量交流信號而設計的設備--NI 455x、NI 445x和NI 447x動態(tài)信號采集（DSA）設備，NI6115同步采樣多功能I/O設備，SCXI-1141模塊都有內(nèi)置的抗混頻濾波器。
激勵功能--對于某些傳感器信號調(diào)理也能提供激勵源。例如，應力計、熱敏電阻器和RTD需要有外部電壓或電流激勵信號。用于這些傳感器的信號調(diào)理模塊常用來提供激勵信號。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。應力計是阻值非常低的電阻設備，常用于配有電壓激勵源的惠斯通電橋。SCXI-1121和SCXI-1122有板載的激勵源，可配置為電流或電壓激勵，從而可用于壓力計、熱敏電阻器或RTD。
線性化功能--另一種常見的信號調(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是非線性的。NI的NI-DAQ、LabVIEW、Measurement Studio和VirtualBench等應用軟件包包含了應用于熱電偶、壓力計和RTD的線性化功能。
您需要了解您的信號的特性，用于測量信號的配置以及系統(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)是否需要使用信號調(diào)理。