[科普中国]-实时数据采集系统

研究现状

数据采集作为信息科学技术领域中一大重要技术，主要指采集信号对象的数据信息，并通过处理机制分析过滤数据和储存数据。综合运用数据采集技术、计算机技术、传感器技术和信号处理技术四大信息技术，建立实时自动数据采集与处理系统。

实时数据采集系统最早于上世纪50年代在美国被应用于军事领域。美国军方使用数据采集设备完成了测试实验数据的自动采集，所采集数据信息完整，有效解决了测试试验数据难以采集的问题。我国在上世纪60年代末就己经进口了数据采集设备，在特定的领域开展应用。

上世纪70年代随着微机技术的发展，数据采集系统采用智能微机技术可以实现简单的判断决策功能，相较与之前功能简单，数据采集系统取得了一定的发展。此时，数据采集系统已经从实验室推广应用到工业现场，两者唯一区别是实验室数据采集系统使用并行总线接口，工业现场数据采集系统使用串行总线接口。随着数据采集系统在工业现场越来越多的应用，其自身智能化程度得到很大提高，可靠度增大。

上世纪80年代计算机技术发展迅猛，应用计算机技术的数据采集系统取得了飞跃式发展，与此同时市场上出现了具有通用功能的数据采集设备系统。市场[数据采集系统分为两种：适用于实验室或要求较低场景的数据采集设备和适用于工业领域的数据采集设备。前者主要由采集器、仪器表盘、并行总线接口和计算机构成，后者主要由数据采集卡、串行总线接口和计算机组成。

在80年代后期，随着计算机领域嵌入式技术的发展，带动了数据采集系统的巨大变革。嵌入式技术降低了数据采集系统二次开发的难度，减小了数据采集设备的体积，增强了数据采集系统数据处理能力，表现出智能化的特征。

上世纪90年代，在发达国家数据采集系统被广泛应用于航空航天、军用武器设备、高端工业等领域。伴随着集成电路技术的提高，单片集成的微型数据采集系统问世了，数据采集技术也迅速发展成一门专业技术，在工业领域的应用越来越广泛。此时的数据采集系统已经采用功能模块结构，能够对模块进行简单的添加、删除或更改来满足不同的用户需求。数据采集系统朝着精度更高、处理速度更快、实时性更强、存储量更大和集成度更高的方向发展。

数据采集系统实现了计算机系统和物理客观世界的相连接，数据采集系统采集客观世界的各类数据信息，并存储在计算机系统上，通过建立数据统一的数学模型进行数据分析与处理。芯片技术的发展带来了更快的数据采集速度，网络总线技术的发展带来了更多工业现场总线选择，因此现代数据采集系统数据采集和处理速度有了很大提高。数据采集速度越快，信息完整度越高，数据算法越优化数据处理结果更能反映真实的状况。数据采集系统的智能化发展，被视为本世纪信息科学技术进步的重要标志，为现代控制决策管理提供了强大的基础支撑。1

分类数据采集系统是信号处理系统的关键部分，在现代仪器仪表等领域中得到广泛应用。按照是否需要PC机参与数据采集控制将数据采集系统分为独立式和非独立式两种。

独立式数据采集系统也叫做数据记录器，其发展早于PC时代。其典型的代表为早期的用于绘制地震波形的实时纸带绘图仪。独立式数据采集系统可以完成那些需要长时间来进行数据收集和记录的任务而无需PC机的参与。通常来说，独立式数据采集系统既慢又贵。由于用于高速采集的板上存储器价格不菲，设计者依靠降低采集速率来节省成本，从而限制了采集速率的提高。独立式数据采集系统通常自带有显示及用户操作器件，这也是其价格昂贵的原因。

非独立式数据采集系统实际上就是利用PC机强大的数据处理能力、图形化的编程环境等，建立具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板，完成对数据采集系统的控制，并且可以对数据进行分析和显示。它的各种功能完全由用户自己定义，可以根据不同的环境和对象，编制不同的程序来实现，具有灵活的可扩展性。

非独立数据采集系统分为PC内部及PC外部两大类。基于PCI(Peripheral Component Interconnect，周边元件扩展接口)总线的数据采集系统属于前者，由于与PC机内部总线相连，能提供更高的采样速率。然而PC机内部空间狭小，又限制了可插入式采集系统的通道数。其次，PC机内密集的各种器件所辐射出的电磁波也成了采集系统EMC(ElectroMagnetic Compatibility)设计时不可忽视的噪声来源。

目前通用的PC外部接口为USB ( Universal Serial Bus，通用串行总线)接口，其相对于可插入PC采集系统具有更好的分立性，更少的外部干扰，更便捷的信号连接。尽管在2000年发布的USB2.0规范中最高传输速度己经达到了480Mbps ( 60MB/s ) ，但是很多USB2.0设备在实际工作时的数据传输速度却与此相差甚远。USB的实时传输虽然可以保证传输的速率恒定，但由于不进行握手包的确认过程，不能确保实时数据传输的正确性。

另外，基于并口的数据采集系统可容纳几百个I/O通道，并可方便的插入或拔出PC；基于串口的数据采集系统可进行长距离连接，其对于长距，分立的采集系统来说是一个不错的选择。但二者的数据传输速率不高，对于高速数据采集系统而言并不是最佳的选择。2

目标一般情况下，数据采集系统是专用于某个系统的。当在不同的系统中需要功能相同的模块或功能差别不大的模块时，往往需要进行重复的软件开发工作。为了提高效率，避免重复的工作有必要开发一个通用的实时数据采集系统。

该系统设计目标有以下：
1.实时控制
2.实时信号处理过程
3.硬件在回路的仿真或半实物仿真
4.实时在线参数的调整
5.高速的stand alone仿真
6.C程序自动生成器3

特点实时数据采集系统有以下几个特点：

第一个特点是提供了从系统设计到实现的快速、直接的方法，即实现了快速原型仿真法：在MATLAB和Simulink的基础上，利用并改造了RTW，因此可以利用快速原型仿真法实现系统从设计到实现的高性能循环。 快速仿真方法将传统开发过程中的软件与硬件设计纳入了快速循环过程，实现了系统设计的快速循环，从而从根本上节约了传统开发方法中花费在软硬件反复设计中的大量时间。

实时数据采集系统的第二个特点是提供了简单易用的接口，在应用时只需应用接口即可。 实时数据采集系统的第三个特点是它的体系结构是开放的和可伸展的。实现的系统只采用了pc1726和pc1818各一块，在系统硬件满足要求的前提下，可以增加pc1726和pc1818的数量，但这会降低实时反应的时间。在应用时，应该根据需要在实时性能和处理通道数目之间做一个折衷。

工作原理实时数据采集系统的原理如图所示。

它的工作情况如下：
通过仪表或传感器检测被控对象参数，再经过信号变换和模/数、数/数转换，将参数转换为相应的数字量，并送入目标计算机。然后，由目标计算机进行必要的计算处理，目标计算机将计算处理的结果送出，经过信号变换和数/模转换，现通过设备控制对象。主机与目标机相连接，可以在主机上监视和控制系统执行情况。

主机和目标机的通信结构原理如下图。

主机与目标机之间通过TCP/IP网络相连接，从而可以实现远程监视和控制。主机和目标机采用客户/服务器结构，主机为客户端，目标机为服务器端。在目标机上，可执行程序与服务器端通信程序通过FIFOS管道通信。FIFOS管道传输数据信息和控制信息。