淺析數據采集系統

申 浩

（廣州半導體材料研究所，廣東 廣州 510610）

數據采集是數字信息處理過程中的一個重要環節。 不論是計算機控制系統， 還是中低速的語言識別系統或高速的雷達信息處理系統、 圖像處理系統均是首先由數據采集系統得到數字序列， 然后再由高速處理系統進行實時處理或是由計算機進行普通的后處理。

1 概述

數據采集（Data Acquisition）是指將溫度、壓力、流量、位移、角度等連續變化的模擬量轉換為數字量，將數據存儲并且顯示、處理、 傳輸與紀錄這一過程。 相應的系統即為數據采集系統（Data Acquisition System，簡稱DAS）。

數據采集系統一般可分為以下四類：（1）數據顯示系統：系統測試各種信號并且顯示出來。 （2）數據記錄系統：系統測試各種信號并且記錄下來。 （3）數據處理系統：系統測試各種信號并且對它們進行處理。 （4）綜合數據系統：系統不僅立即處理輸入的信號，而且利用這些新的信息去執行一些控制功能。經系統處理產生的輸出信號立即送往數據系統控制的一些設備， 這些設備可以是相同的，它們在產生輸入信號，這種系統也叫做反饋數據系統。 前三類都可以看作綜合數據系統的一部分。

2 數據采集系統的組成

適合科研上用的數據采集系統，一般配備高精度的A/D、D/A 轉換器和計算機。 這樣可以勝任同時進行多參數（壓力、推力、溫度、轉速、流量和位移等）測量，大數據量的存儲和處理工作[1]。

數據采集系統通常由以下四部分組成：（1）數據采集器。 包括多路開關，測量放大器，采樣保持電路，A/D 轉換器等。 它逐個采樣多個現場模擬信號再量化成數字信號后送往計算機。（2）輸入/輸出電路。 用來傳送數據采集系統運行所需的數據，狀態信息和控制信號。 在計算機系統中，可采用的輸入/輸出控制方式一般有四種：程序控制，中斷控制，直接存儲器存取（DMA）和輸入/輸出處理機控制[2]。 計算機和外部設備之間的數據傳輸方式可分為串行和并行兩種。 （3）D/A 轉換器。 將計算機輸出的數字信號再轉換為模擬信號，以滿足顯示、紀錄和控制等需求。 有時人們也將包含D/A 轉換器的數據采集系統稱為模擬輸入與輸出系統。（4）應用軟件。完成對采集數據進行存儲、處理等操作的軟件。

數據采集系統的核心器件就是A/D 轉換器，此外，還包括下列各種器件：傳感器，信號調理電路，多路開關，采樣保持電路，程序控制定序器等。一個典型的數據采集系統框圖如圖1 所示。

圖1 數據采集系統框圖

2.1 傳感器

在生產和科學研究活動中， 常需利用傳感器測量壓力、推力、溫度、轉速和流量等。 下面就介紹幾種常用的傳感器：

（1）拉力和荷重傳感器。 用來測量拉力和推力的傳感器有電阻應變片式、壓磁式和壓電式等，電阻應變片式的拉力和荷重傳感器應用廣泛，其工作原理是：一個彈性元件在外力作用下產生應變，由于應變片粘接在彈性元件上，所以將應變片的應變量轉換成電阻的變化， 再利用測量電橋將電阻的變化轉換成電壓的變化信號而測量之。

（2）壓力傳感器。 用來測量壓力的傳感器有電阻應變片式、霍爾效應式及壓電式等。 電阻應變片式壓力傳感器的工作原理是利用應變片將彈性元件在壓力作用下產生的變形轉換成電量信號，作為數據采集系統的模擬輸入信號。 霍爾效應壓力傳感器是利用霍爾元件在壓力作用下產生的位移轉換成霍爾電勢。

（3）溫度傳感器。 溫度傳感器的種類繁多，在數據采集系統中多使用熱電偶作為溫度傳感器。 熱電偶工作的基本原理是利用兩種不同材料的熱電效應產生的熱電勢來測溫的， 熱電勢的大小取決于冷熱端的溫度之差。

（4）轉速傳感器。 用來測量轉速的常用的傳感器有光電式和磁電式等。 光電式轉速傳感器的工作原理是：將轉速轉換成光脈沖， 再利用光電變換器將光脈沖變換成電脈沖， 從而測得轉速值。 磁電式轉速傳感器是利用磁電變換原理將轉速變換成電信號，它是通過定子和轉子之間的間隙發生變化，磁路中的磁通就發生變化，線圈中就感應出電勢來，由于電磁式轉速傳感器輸出的電勢和轉速成正比， 因而用模擬式測量電路測出其電壓的大小就可獲得轉速值。 所以，它適用于數據采集系統測定轉速值。

（5）流量傳感器。 用來測量流量的傳感器常稱流量計，流量計的種類很多，如速度式流量計、容積式流量計、壓差式流量計、恒壓式流量計等。

（6）位移傳感器。 用來測量位移的傳感器有多種型式，如滑線電阻式、電阻應變片式、差動變壓器式和光柵式等。

（7）加速度傳感器。 各種加速度傳感器的變換原理，一般多采用質量-彈簧系統，通過適當選擇參數，把加速度變成力和位移，再由力或位移的變換元件把它們轉換成便于測量的信號。 測量加速度的傳感器有壓電式加速度傳感器、 電阻應變片式加速度傳感器和伺服式加速度傳感器等。

2.2 放大器

放大器是用來把微弱的信號進行放大，在數據采集系統中，放大器的作用一般是：（1）對信號的幅度放大；（2）隔離和緩沖前后級單元；（3）抑制噪聲，提高信噪比；（4）其他作用，如電壓、電流變換等。

數據采集系統一般支持多個模擬通道， 所以需要引入可編程放大器。 可編程放大器的放大倍數隨時可由一組數字序列控制，在模擬多路開關改變其通道序號時，放大電路也由相應的一組數字序列控制改變放大倍數， 即為每個模擬通道提供最合適的放大倍數。

放大器主要由靜電屏蔽系統、電位放大器、隔離器和傳遞放大器等部分組成。

2.3 模擬多路開關

在數據采集系統中，往往要進行多個物理量的測量，如分別要進行壓力、推力、溫度、轉速、流量等物理參量的測量，即所謂的巡回檢測，對這些參量進行A/D 轉換時，多采用公共的A/D 轉換電路以降低成本。 因此，當依次對各路進行轉換時，就必須分時占用A/D 轉換電路。這可通過模擬多路開關來解決，即輪流切換各被測通道與A/D 轉換電路之間的通路以達到分時的目的。

2.4 A/D 轉換器

A/D 轉換器是將模擬量轉換成數字量的器件， 是數據采集系統中的核心器件。 模擬量可以是電壓、電流，也可以是聲、光、壓力、溫度、濕度等隨著時間連續變化的非電的物理量。 非電的模擬量可以通過傳感器轉換成電信號。

A/D 轉換器的轉換關系可以表示為：

D=AI/AR

式中，D 為數字輸出信號；AI為模擬輸入信號；AR為參考模擬量。

2.4.1 工作原理

A/D 轉換器是把模擬信號（通常是模擬電壓）轉換為數字信號的電路。 這種轉換一般分四步進行：

采樣→保持→量化→編碼

（1）采樣。 采樣是將一個連續變化的模擬量轉換為斷續變化的模擬量。 采樣過程如圖2 所示。采樣器像是一個受控開關，s（t）=1 時，開關閉合，fs（t）=f（t）；s（t）=0 時，開關斷開，fs（t）=0。 用數字邏輯式表示就是：fs（t）=f（t）*s（t），s（t）=1 或0。

圖2 采樣過程示意圖

（2）保持。 保持是將采樣得到的模擬量值保持下來。 保持發生在s（t）=0 期間。 一個基本的采樣保持電路如圖3 所示。 它由MOS 管采樣開關T、保持電容Cb和運放做成的跟隨器三部分組成。 s（t）=1 時，T 導通，vi向Cb充電，vc和v0跟蹤vI變化，即對vI采樣。s（t）=0 時，T 截止，v0將保持前一瞬間采樣的數值不變。 只要Cb的漏電電阻、 跟隨器的輸入電阻和MOS 管T 的截止電阻都足夠大，v0就能保持到下次采樣脈沖到來之前不變。 進行A/D轉換時所用的輸入電壓，就是這種保持下來的采樣電壓。

圖3 采樣保持電路

（3）量化，編碼。 量化是用基本的量化電平個數來表示采樣保持電路得到的模擬電壓值。 量化過程實際上就是把采樣保持下來的模擬值舍入成整數的過程。 編碼是把已經量化的模擬數值用二進制碼來表示。

2.4.2 主要性能指標

A/D 轉換器的主要性能指標有以下幾個：

（1）分辨率：分辨率表示轉換器對微小輸入量變化的敏感程度，一般用轉換器輸出數字量的位數來表示。

（2）精度：精度是指與數字輸出量所對應的模擬輸入量的模擬值與理論值之間的差值。 A/D 轉換電路中與每個數字量對應的模擬輸入量是一個范圍Δ。 一般定義Δ 為數字量的最小有效位LSB。

精度通常用最小有效位LSB 的分數值來表示。 設Δ 的中點為A，如果輸入模擬量在A±Δ/2 的范圍內，產生唯一的D，則稱其精度為±0LSB。 若模擬量變化范圍的上限值和下限值各增減Δ/4，轉換器輸出仍為同一數碼D，則稱其精度為±1/4LSB。

（3）轉換時間：轉換時間是指完成一次A/D 轉換所需要的時間。

（4）溫度系數和增益系數：表示A/D 轉換器受環境溫度影響的程度。

3 結語

數據采集系統已經在雷達、通信、水聲、遙感、地質勘探、振動檢測與控制、無損檢測、電力系統、智能儀器、工業自動控制、生物醫學工程等許多領域獲得了廣泛的應用。

[1]周振安.數據采集系統的設計與實踐[M].北京：地震出版社，2005.

[2].韓學超.用DMA 技術實現的高速數據采集系統[J].電子技術，2000，9:49-51.