什么是数据采集 (DAQ)?


简介

现今，在实验室研究、测试和测量以及工业自动化领域中，绝大多数科研人员和工程师使用配有PCI、 PXI/CompactPCI、 PCMCIA 、 USB 、 IEEE1394 、 ISA 、并行或串行接口的个人电脑（ PC ）采集数据。许多应用使用插入式设备采集数据并把数据直接传送到计算机内存中，而在一些其它应用中数据采集硬件和 PC 分离，通过并行或串行接口和 PC 相连。从基于 PC 的数据采集系统中获取适当的结果取决于图示一中的各项组成部分：
·PC
·传感器
·信号调理
·数据采集硬件
·软件
本文介绍了数据采集系统的各个组成部分，并解释各个部分最重要的准则。本文也定义了用于基于 PC 的数据采集系统组成部分的许多通用术语。
个人电脑 (PC)
数据采集系统所使用的计算机会极大地影响连续采集数据的最大速度，而当今的技术已可以使用 Pentium 和 PowerPC 级的处理器，它们能结合更高性能的 PCI 、 PXI/CompactPCI 和 IEEE1394 （火线）总线以及传统的 ISA 总线和 USB 总线。 PCI 总线和 USB 接口是目前绝大多数台式计算机的标准设备，而 ISA 总线已不再经常使用。随着 PCMCIA 、 USB 和 IEEE 1394 的出现，为基于桌面 PC 的数据采集系统提供了一种更为灵活的总线替代选择。对于使用 RS-232 或 RS-485 串口通信的远程数据采集应用，串口通信的速率常常会使数据吞吐量受到限制。在选择数据采集设备和总线方式时，请记住您所选择的设备和总线所能支持的数据传输方式。
计算机的数据传送能力会极大地影响数据采集系统的性能。所有 PC 都具有可编程 I/O 和中断传送方式。目前绝大多数个人电脑可以使用直接内存访问（ Direct memory access ， DMA ）传送方式，它使用专门的硬件把数据直接传送到计算机内存，从而提高了系统的数据吞吐量。采用这种方式后，处理器不需要控制数据的传送，因此它就可以用来处理更复杂的工作。为了利用 DMA 或中断传送方式，您的数据采集设备必须能支持这些传送类型。例如， PCI 、 ISA 和 IEEE1394 设备可以支持 DMA 和中断传送方式，而 PCMCIA 和 USB 设备只能使用中断传送方式。所选用的数据传送方式会影响您数据采集设备的数据吞吐量。
限制采集大量数据的因素常常是硬盘，磁盘的访问时间和硬盘的分区会极大地降低数据采集和存储到硬盘的最大速率。对于要求采集高频信号的系统，就需要为您的 PC 选择高速硬盘，从而保证有连续（非分区）的硬盘空间来保存数据。此外，要用专门的硬盘进行采集并且在把数据存储到磁盘时使用另一个独立的磁盘运行操作系统。
对于要实时处理高频信号的应用，需要用到 32 位的高速处理器以及相应的协处理器或专用的插入式处理器，如数字信号处理（ SP ）板卡。然而，对于在一秒内只需采集或换算一两次数据的应用系统而言，使用低端的 PC 就可以满足要求。
在满足您短期目标的同时，要根据投资所能产生的长期回报的最大值来确定选用何种操作系统和计算机平台。影响您选择的因素可能包括开发人员和最终用户的经验和要求、 PC 的其它用途（现在和将来）、成本的限制以及在您实现系统期间内可使用的各种计算机平台。传统平台包括具有简单的图形化用户界面的 Mac OS ，以及 Windows 9x 。此外， Windows NT 4.0 和 Windows 2000 能提供更为稳定的 32 位 OS ，并且使用起来和 Windows 9x 类似。 Windows 2000 是新一代的 Windows NT OS ，它结合了 Windows NT 和 Windows 9x 的优势，这些优势包括固有的即插即用和电源管理功能。
传感器和信号调理

传感器感应物理现象并生成数据采集系统可测量的电信号。例如，热电偶、电阻式测温计（RTD ）、热敏电阻器和 IC 传感器可以把温度转变为模拟数字转化器（ analog-to-digital ， ADC ）可测量的模拟信号。其它例子包括应力计、流速传感器、压力传感器，它们可以相应地测量应力、流速和压力。在所有这些情况下，传感器可以生成和它们所检测的物理量呈比例的电信号。 为了适合数据采集设备的输入范围，由传感器生成的电信号必须经过处理。为了更精确地测量信号，信号调理配件能放大低电压信号，并对信号进行隔离和滤波。此外，某些传感器需要有电压或电流激励源来生成电压输出。

信号调理配件可用于各种重要的应用
放大功能 —— 放大是最为普遍的信号调理功能。例如，需要对热电偶的信号进行放大以提高分辨率和降低噪声。为了得到最高的分辨率，要对信号放大以使调理后信号的最大电压范围和 ADC 的最大输入范围相等。又例如， SCXI 有多种信号调理模块可以放大输入信号。在临近传感器的 SCXI 机箱内对低电压信号进行放大，然后把放大后的高电压信号传送到 PC ，从而最大限度地降低噪声对读数的影响。
隔离功能 —— 另一种常见的信号调理应用是为了安全目的把传感器的信号和计算机相隔离。被监测的系统可能产生瞬态的高压，如果不使用信号调理， 这种高压会对计算机造成损害。 使用隔离的另一原因是为了确保插入式数据采集设备的读数不会受到接地电势差或共模电压的影响。当数据采集设备输入和所采集的信号使用不同的参考 “ 地线 ” ，而一旦这两个参考地线有电势差，就会带来麻烦。这种电势差会产生所谓的接地回路，这样就将使所采集信号的读数不准确；或者如果电势差太大，它也会对测量系统造成损害。使用隔离式信号调理能消除接地回路并确保信号可以被准确地采集。例如， SCXI-1120 和 SCXI-1121 模块能提供高达 250 Vrms 的共模电压隔离， SCXI-1122 能提供高达 450 Vrms 电压隔离。
多路复用功能 —— 多路复用是使用单个测量设备来测量多个信号的常用技术。模拟信号的信号调理硬件常对如温度这样缓慢变化的信号使用多路复用方式。 ADC 采集一个通道后，转换到另一个通道并进行采集，然后再转换到下一个通道，如此往复。由于同一个 ADC 可以采集多个通道而不是一个通道，每个通道的有效采样速率和所采样的通道数呈反比。例如， 1MS/s 的 PCI-MIO-16E-1 采样通道为 10 个，那么每个通道的有效采集速率大约为：

由于模拟信号的模拟 SCXI 模块采用多路复用技术，一个数据采集设备可以测量多达 3,072 个信号。使用 AMUX-64T 模拟多路复用器，您可以使用一个设备来测量 256 个信号。所有内置有多路复用器的数据采集设备也具备这一特性。
滤波功能 —— 滤波器的功能是指在您所测量的信号中滤除不需要的信号。噪声滤波器用于如温度这样直流信号，它可以衰减那些降低测量精度的高频信号。例如，许多 SCXI 模块在使用数据采集设备对信号数字化前使用 4 Hz 和 10 kHz 的低通滤波器来滤除噪声。
如振动这样的交流信号常常需要另一种被称为抗混频的滤波器。像噪声滤波器一样，抗混频滤波器也是低通滤波器；然而，它需要有非常陡的截止速率，从而可以滤除信号中所有高于设备输入波段的频率。如果这些频率没有被滤除，它们将会作为信号错误地出现在设备输入带宽中。专为测量交流信号而设计的设备 —— NI 455x 、 NI 445x 和 NI 447x 动态信号采集（ DSA ）设备， NI6115 同步采样多功能 I/O 设备， SCXI-1141 模块都有内置的抗混频滤波器。
激励功能 —— 对于某些传感器信号调理也能提供激励源。例如，应力计、热敏电阻器和 RTD 需要有外部电压或电流激励信号。用于这些传感器的信号调理模块常用来提供激励信号。 RTD 测量常使用电流源来把电阻上的变化量转化为可测量电压。应力计是阻值非常低的电阻设备，常用于配有电压激励源的惠斯通电桥。 SCXI-1121 和 SCXI-1122 有板载的激励源，可配置为电流或电压激励，从而可用于压力计、热敏电阻器或 RTD 。
线性化功能 —— 另一种常见的信号调理功能是线性化功能。许多传感器，如热电偶，对被测量的物理量的响应是非线性的。 NI 的 NI-DAQ 、 LabVIEW 、 Measurement Studio 和 VirtualBench 等应用软件包包含了应用于热电偶、压力计和 RTD 的线性化功能。
您需要了解您的信号的特性，用于测量信号的配置以及系统周围环境的影响。根据这些信息，您才可以确定您的 DAQ 系统是否需要使用信号调理。