[科普中国]-动态数据采集

简介

动态数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。动态数据采集一般要求结构在动作运行过程中采集数据，而采集点一般是静态测试数值较大的位置和比较关键的部位。通过高速计数器测量输入、输出数据，通过传感器测量输入、输出轴扭矩，并将所测数据信息上传给计算机。计算机根据上传数据计算出相应的传动比、系统效率、输入和输出功率等信息。动态数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象。

数据采集数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛应用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。

被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据测量是数据采集的基础。数据量测方法有接触式和非接触式，检测元件多种多样。不论哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。数据采集含义很广，包括对面状连续物理量的采集。在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据。

在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统在国内外已经取得了长足的发展。其次，总线兼容型数据采集插件的数量不断增大，与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。国内外各种数据采集机先后问世，将数据采集带入了一个全新的时代。

动态数据采集仪结构原理为了使ADC的资源能得到充分发挥，避免微处理器在同一时刻只能干同一件事情之缺点，设计出无的数据采集系统，即整个采集仪全部由硬件线路制成，采集过程无需软件参与，其结构原理如图所示。

图只表示出两通道的数据采集仪结构，实际上只要增加图示通道)或通道􂈗右边的全等结构，即可将通道数增加到更大范围，这样并不影响多通道同时采集。、芯片内带采样保持、存储器单元、缓冲器单元及相关总线组成。

输出的数据总线直接和存储器单元的数据总线相连，用于把各输入端送来的模拟信号转换成数字信号并存写于各自存储器。存储器单元主要由存储器和地址切换器组成，而地址切换器的二个输入(ADD1、ADD2)􂈒分别和本机地址总线(1)􂈒及外部计算机地址总线相连，其输出与存储器地址总线相连，这样当采集数据时，使用本机地址总线，数据读出到计算机时，使用外部计算机地址总线。存储器的数据总线还和缓冲器单元的输入端相连，缓冲器单元由三组三态缓冲器组成，其输出和其它通道的对应单元输出相接组成三组数据总线，它们分别为X总线，􂈀􂈒Y总线，D总线􂈒，用于把存储器的数据有选择的送往这三组数据总线，如图示。1

各模块功能面板控制单元主要有下列功能①控制各通道存储器单元的地址切换器，使存储器使用本机地址总线还是外部计算机地址总线②控制各通道的缓冲器单元，使哪个通道数据信号送往哪组数据总线，如图中的（3）、（4）控制线③送触发信号到计数器单元的端，使计数器清零，进而使基准时钟输出，开始一个采集过程。

输入端分别和总线与总线相连，其模拟输出端可送往外部的一记录仪或示波器，用于完成任意两通道当采集仪通道数大于时信号的同时数模转换。

存储器单元中的存储器当进行数据采集或转换输出时使用本机地址总线，仅当外部计算机读取数据时，才使用计算机地址总线，计算机的数据总线和采集仪的D总线相连。1

性能特点现已研制成功的采集仪的最大特点是其结构全部采用硬件线路制成，无需CPU参与或与CPU有关的DMA，就可实现动态数据的高速、多通道同时采集，其特征是一个时钟脉冲可使各通道数据同时采集并存写各自存储器一次，还使ADC的资源能够得到完全发挥。

采集数据可分多存储区域存储，即内部存储器可分为10或16个区(即把所有ADC卡上的存储器全部统一分区)，同时记录10或16个物理事件信息，供进一步比较.

仪器所采集的数据可直接送往示波器显示，或直接送往X-Y记录仪记录，还可通过专用接口送往外部计算机进行数据处理，所有这些动作过程均由逻辑线路完成。进行D/A转换时，一个时钟周期可实现两通道数据同时读取一次。但当数据送往计算机时只能一个通道一个通道地进行。1

微机高速采样计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入。微机在通讯自动化，工业自动控制，电子测量，信息管理和信息系统等方面都得到了广泛应用。在能源动力、冶金、化工、医学和电器性能测试等许多场合都需要同时对多通道快速变化的模拟信号进行采集、预处理、数据分析处理、自动报表生成、信号变化趋势显示和输出打印等。应用领域的不断拓宽，使微型计算机高速数采成为计算机应用中最有潜力和最为活跃的领域之一。研究和开发相关的新技术，实现对传统产业的技术改造、研制新型特别是智能化的工业产品，是我们目前面对的挑战和机遇。

20世纪八十年代后期，PC机市场开始快速发展，越来越多的PC机应用得到开发。PC机的广泛应用不但改变了我们的计算方式，而且对数据采集领域也带来了翻天覆地的变化。特别是使用越来越先进的计算机技术，使基于PC机的数据采集系统向着高速、高效、智能化、多功能化，多样化方向发展。2

基于PLC与上位机的动态数据采集系统可编程控制器（PLC）是一种具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置，它具有能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，但PLC在数据储存、图形显示、用户界面等方面功能较差，如果将上位计算机与PLC结合起来，充分利用计算机与PLC本身的资源，就可以使两者实现优势互补，组成高性价比的监测控制系统。因此，PLC与上位机之间的串行通信是实现这一目标的关键技术。

系统通讯原理PLC与上位机通信主要有以下方式：

①运用组态软件WinCC方法通信速度快，可靠性好，但需购买软件，价格高，适用于较大控制系统；

②触摸屏监控方法通信问题已由厂商解决，可靠性高，但灵活性不好，功能不强，且价格较高；

③自由口模式下与上位计算机通信，通信协议完全由用户自己定义，可任意读取PLC存储区数据，成本低，编程复杂，对开发人员水平要求较高。其系统连接如图所示。3

上位机通讯程序设计上位机在通讯过程中始终作为主机，定时发送巡检指令，等待从机PLC的应答。若无应答信息或应答信息校验错误，系统显示通讯故障；若接收到正确应答信息，则系统作相应处理，其通讯流程如图所示。

在Windows环境下，用VC++提供的通讯控件MSComm编写所需串行通信程序。在应用程序中添加通讯控件，它有很多重要的属性，在初始化程序中必须对其进行必要设置。3

PLC通讯程序设计系列PLC有两种通讯模式:一种是点对点(PPI)通讯模式，另一种是对用户完全开放的自由口通讯模式。PPI模式用于PLC间直接连接的通讯，可以组成网络。自由口模式应用于PLC与计算机间通讯，其通讯流程如图所示。

在通讯过程中，PLC始终作为从机等待来自主机的巡检指令，若接收到错误的巡检指令，则丢弃巡检信息，等待下一次巡检；若接收到正确的巡检指令，则根据指令要求上传相应数据。3

系统优点系统以串行通讯为基础，建立了基于PLC和上位机为核心的数据采集方案，充分利用了PLC在开关量、模拟量和高速计数方面的强大功能和上位计算机在图形显示、数据计算、数据存储等方面的优势。相对于单片机为核心的数据采集系统，本系统具有可靠性、稳定性好，数据处理能力强，开发时间短等优点。3