淺析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

申 浩

（廣州半導(dǎo)體材料研究所，廣東 廣州 510610）

數(shù)據(jù)采集是數(shù)字信息處理過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 不論是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 還是中低速的語言識(shí)別系統(tǒng)或高速的雷達(dá)信息處理系統(tǒng)、 圖像處理系統(tǒng)均是首先由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到數(shù)字序列， 然后再由高速處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行普通的后處理。

1 概述

數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition）是指將溫度、壓力、流量、位移、角度等連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并且顯示、處理、 傳輸與紀(jì)錄這一過程。 相應(yīng)的系統(tǒng)即為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Data Acquisition System，簡稱DAS）。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般可分為以下四類：（1）數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)：系統(tǒng)測試各種信號(hào)并且顯示出來。 （2）數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)：系統(tǒng)測試各種信號(hào)并且記錄下來。 （3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：系統(tǒng)測試各種信號(hào)并且對(duì)它們進(jìn)行處理。 （4）綜合數(shù)據(jù)系統(tǒng)：系統(tǒng)不僅立即處理輸入的信號(hào)，而且利用這些新的信息去執(zhí)行一些控制功能。經(jīng)系統(tǒng)處理產(chǎn)生的輸出信號(hào)立即送往數(shù)據(jù)系統(tǒng)控制的一些設(shè)備， 這些設(shè)備可以是相同的，它們?cè)诋a(chǎn)生輸入信號(hào)，這種系統(tǒng)也叫做反饋數(shù)據(jù)系統(tǒng)。 前三類都可以看作綜合數(shù)據(jù)系統(tǒng)的一部分。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

適合科研上用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般配備高精度的A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)。 這樣可以勝任同時(shí)進(jìn)行多參數(shù)（壓力、推力、溫度、轉(zhuǎn)速、流量和位移等）測量，大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)和處理工作[1]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由以下四部分組成：（1）數(shù)據(jù)采集器。 包括多路開關(guān)，測量放大器，采樣保持電路，A/D 轉(zhuǎn)換器等。 它逐個(gè)采樣多個(gè)現(xiàn)場模擬信號(hào)再量化成數(shù)字信號(hào)后送往計(jì)算機(jī)。（2）輸入/輸出電路。 用來傳送數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)，狀態(tài)信息和控制信號(hào)。 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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(chǔ)器存取（DMA）和輸入/輸出處理機(jī)控制[2]。 計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式可分為串行和并行兩種。 （3）D/A 轉(zhuǎn)換器。 將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，以滿足顯示、紀(jì)錄和控制等需求。 有時(shí)人們也將包含D/A 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)稱為模擬輸入與輸出系統(tǒng)。（4）應(yīng)用軟件。完成對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理等操作的軟件。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件就是A/D 轉(zhuǎn)換器，此外，還包括下列各種器件：傳感器，信號(hào)調(diào)理電路，多路開關(guān)，采樣保持電路，程序控制定序器等。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2.1 傳感器

在生產(chǎn)和科學(xué)研究活動(dòng)中， 常需利用傳感器測量壓力、推力、溫度、轉(zhuǎn)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(yīng)變片式、壓磁式和壓電式等，電阻應(yīng)變片式的拉力和荷重傳感器應(yīng)用廣泛，其工作原理是：一個(gè)彈性元件在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變，由于應(yīng)變片粘接在彈性元件上，所以將應(yīng)變片的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻的變化， 再利用測量電橋?qū)㈦娮璧淖兓D(zhuǎn)換成電壓的變化信號(hào)而測量之。

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

（3）溫度傳感器。 溫度傳感器的種類繁多，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(yīng)產(chǎn)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(zhuǎn)速傳感器。 用來測量轉(zhuǎn)速的常用的傳感器有光電式和磁電式等。 光電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理是：將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速值。 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是利用磁電變換原理將轉(zhuǎn)速變換成電信號(hào)，它是通過定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙發(fā)生變化，磁路中的磁通就發(fā)生變化，線圈中就感應(yīng)出電勢來，由于電磁式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電勢和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速值。 所以，它適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測定轉(zhuǎn)速值。

（5）流量傳感器。 用來測量流量的傳感器常稱流量計(jì)，流量計(jì)的種類很多，如速度式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、壓差式流量計(jì)、恒壓式流量計(jì)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(yīng)變片式、差動(dòng)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(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，通過適當(dāng)選擇參數(shù)，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(zhuǎn)換成便于測量的信號(hào)。 測量加速度的傳感器有壓電式加速度傳感器、 電阻應(yīng)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(hào)進(jìn)行放大，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，放大器的作用一般是：（1）對(duì)信號(hào)的幅度放大；（2）隔離和緩沖前后級(jí)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般支持多個(gè)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(shù)隨時(shí)可由一組數(shù)字序列控制，在模擬多路開關(guān)改變其通道序號(hào)時(shí)，放大電路也由相應(yīng)的一組數(shù)字序列控制改變放大倍數(shù)， 即為每個(gè)模擬通道提供最合適的放大倍數(shù)。

放大器主要由靜電屏蔽系統(tǒng)、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(guān)

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往要進(jìn)行多個(gè)物理量的測量，如分別要進(jìn)行壓力、推力、溫度、轉(zhuǎn)速、流量等物理參量的測量，即所謂的巡回檢測，對(duì)這些參量進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，多采用公共的A/D 轉(zhuǎn)換電路以降低成本。 因此，當(dāng)依次對(duì)各路進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，就必須分時(shí)占用A/D 轉(zhuǎn)換電路。這可通過模擬多路開關(guān)來解決，即輪流切換各被測通道與A/D 轉(zhuǎn)換電路之間的通路以達(dá)到分時(shí)的目的。

2.4 A/D 轉(zhuǎn)換器

A/D 轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件， 是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shí)間連續(xù)變化的非電的物理量。 非電的模擬量可以通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以表示為：

D=AI/AR

式中，D 為數(shù)字輸出信號(hào)；AI為模擬輸入信號(hào)；AR為參考模擬量。

2.4.1 工作原理

A/D 轉(zhuǎn)換器是把模擬信號(hào)（通常是模擬電壓）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電路。 這種轉(zhuǎn)換一般分四步進(jìn)行：

采樣→保持→量化→編碼

（1）采樣。 采樣是將一個(gè)連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為斷續(xù)變化的模擬量。 采樣過程如圖2 所示。采樣器像是一個(gè)受控開關(guān)，s（t）=1 時(shí)，開關(guān)閉合，fs（t）=f（t）；s（t）=0 時(shí)，開關(guān)斷開，fs（t）=0。 用數(shù)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(fā)生在s（t）=0 期間。 一個(gè)基本的采樣保持電路如圖3 所示。 它由MOS 管采樣開關(guān)T、保持電容Cb和運(yùn)放做成的跟隨器三部分組成。 s（t）=1 時(shí)，T 導(dǎo)通，vi向Cb充電，vc和v0跟蹤vI變化，即對(duì)vI采樣。s（t）=0 時(shí)，T 截止，v0將保持前一瞬間采樣的數(shù)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)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(gè)數(shù)來表示采樣保持電路得到的模擬電壓值。 量化過程實(shí)際上就是把采樣保持下來的模擬值舍入成整數(shù)的過程。 編碼是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值用二進(jìn)制碼來表示。

2.4.2 主要性能指標(biāo)

A/D 轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)有以下幾個(gè)：

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

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

精度通常用最小有效位LSB 的分?jǐn)?shù)值來表示。 設(shè)Δ 的中點(diǎn)為A，如果輸入模擬量在A±Δ/2 的范圍內(nèi)，產(chǎn)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(zhuǎn)換器輸出仍為同一數(shù)碼D，則稱其精度為±1/4LSB。

（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次A/D 轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。

（4）溫度系數(shù)和增益系數(shù)：表示A/D 轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的程度。

3 結(jié)語

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)在雷達(dá)、通信、水聲、遙感、地質(zhì)勘探、振動(dòng)檢測與控制、無損檢測、電力系統(tǒng)、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)控制、生物醫(yī)學(xué)工程等許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

[1]周振安.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：地震出版社，2005.

[2].韓學(xué)超.用DMA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)，2000，9:49-51.