如何構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（一）

前言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Data Acquisition System），是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集經(jīng)調(diào)理的電量或非電量信號(hào)，傳輸至上位機(jī)或服務(wù)器中進(jìn)行分析、處理、監(jiān)控以及存儲(chǔ)的整體系統(tǒng)。本章將展現(xiàn)典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成部分，協(xié)助您快速了解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建過程中的主要技術(shù)要點(diǎn)與重點(diǎn)。

眾所周知，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁，現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究、測(cè)試和測(cè)量以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中。

在構(gòu)建一個(gè)基本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（下圖）時(shí)，以下五個(gè)部分是必須考慮的：

傳感器

數(shù)據(jù)采集

信號(hào)傳輸

分析處理

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

圖： 典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1 傳感器

數(shù)據(jù)采集始于要被測(cè)量的物理現(xiàn)象，可能是房間的溫度、光源的強(qiáng)度、空間的壓力、應(yīng)用在物體上的力量，或是其它許多現(xiàn)象。一個(gè)有效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測(cè)量這一切不同的現(xiàn)象。

傳感器是將物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)變成可測(cè)量信號(hào)（電壓或電流）的設(shè)備，例如熱電偶、RTD、熱敏電阻都可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)锳/D組件可測(cè)量的模擬信號(hào)。下表是工程項(xiàng)目中所常見的傳感器，以及它們可測(cè)量的現(xiàn)象。

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，即通常意義所說的“信號(hào)調(diào)理”。下表中列舉了常用傳感器所需的信號(hào)調(diào)理，工程師需要在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)綜合考慮，選擇最合適的傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集設(shè)備是上位機(jī)和外界之間的接口，它的主要功能是將輸入的模擬信號(hào)數(shù)字化，使計(jì)算機(jī)能夠解讀這些信號(hào)。如何選擇合適和正確的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，這是工程師們?cè)跇?gòu)建系統(tǒng)之時(shí)須掌握的技能之一，對(duì)于數(shù)采設(shè)備而言，主要有以下幾項(xiàng)指標(biāo)需要參考：

通道數(shù)

對(duì)于采用單端和差分兩種輸入方式的設(shè)備，模擬輸入通道數(shù)可以分為單端輸入通道數(shù)和差分輸入通道數(shù)。在單端輸入中，輸入信號(hào)均以共同的地線為基準(zhǔn)。這種輸入方法主要應(yīng)用于輸入信號(hào)電壓較高（高于1 V），信號(hào)源到模擬輸入硬件的導(dǎo)線較短（低于15 ft），且所有的輸入信號(hào)共用一個(gè)基準(zhǔn)地線。如果信號(hào)達(dá)不到這些標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)應(yīng)該用差分輸入。

采樣速率

這一參數(shù)決定了每秒種進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。一個(gè)高采樣速率可以在給定時(shí)間下采集更多數(shù)據(jù)，因此能更好地反映原始信號(hào)。

分辨率/量程

模數(shù)轉(zhuǎn)換器用來表示模擬信號(hào)的位數(shù)即是分辨率。分辨率越高，信號(hào)范圍被分割成的區(qū)間數(shù)目越多，因此，能探測(cè)到的電壓變量就越小（如下圖）。

量程是模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以量化的最小和最大電壓值。某些設(shè)備提供商的數(shù)據(jù)采集設(shè)備都能做到對(duì)量程范圍進(jìn)行選擇，可以在不同輸入電壓范圍下進(jìn)行配置。由于具有這種靈活性，您可以使信號(hào)的范圍匹配ADC的輸入范圍，從而充分利用測(cè)量的分辨率。

值得一提的是，分辨率與精度是兩個(gè)完全不同的概念，具體的區(qū)別可見本白皮書第三章內(nèi)容。

防護(hù)性

數(shù)據(jù)采集設(shè)備所使用的周圍環(huán)境如果較為復(fù)雜和嚴(yán)苛的情況下，那么在選擇時(shí)，工程師需要對(duì)設(shè)備的防護(hù)等級(jí)進(jìn)行考量。