[科普中国]-计算机数据采集

简介

计算机数据采集是计算机信息处理的一个重要组成部分，是通过传感器、变化器等其他外部设备将压力、温度、光照强度、湿度等非电量信号转化为计算机能够识别的电量，将模拟信号转化为数字信号即A/D转换。这是一门有着极强实用价值的综合学科，在石油、汽车、航空航天、机械制造等方面有着广泛的应用。人们可以轻易地通过外部设备对需要的信号进行数据采集、数据处理、数据控制以及数据管理，进而对各种生产活动进行综合的一体化控制。在生产过程中，对工艺参数进行采集、检测，为提高产品质量、安全化生产、降低产品成本提供可行的信息支持。在各种科学研究中，通过数据的采集，可以获得不同的宏微观、动静态等数据信息，例如植物生产过程中所需要的温度、湿度、光照强度等数据信息的采集与处理1。

计算机数据采集系统的组成计算机数据采集系统一般是由传感器、放大电路、滤波器、多路模拟开关、采样/保持器、A/D转换器、计算机I/O接口以及定时与控制逻辑电路。传感器的作用是把外界的模拟量转化为计算机能接受的数字量；放大电路通过晶体管的放大作用，将放大和缓冲输入信号；滤波器用来衰减噪声，以提高输入信号的信噪比；多路模拟开关把多个模拟量参数分时接通，提高电脑工作效率；采样/保持器是保证了采样过程中信号的稳定，提高采样精度；A/D转换器是把输入的模拟信号转变为数字信号；计算机I/O接口是保证输入、输出信号顺利传输；定时与控制逻辑是控制各元器件的逻辑以及时间关系，保证各元器件能有序地工作1。

计算机数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。图1是硬件基本组成示意图。下面简单介绍一下计算机数据采集系统的各个组成部分。

传感器传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量 ( 如电压、 电流或频率 ) ，例如使用热电偶、热电阻可以获得随温度变化的电压， 转速传感器常把转速转换为电脉冲等。 通常把传感器输出到 A/D转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。

放大器放大器用来放大和缓冲输入信号。 由于传感器输出的信号较小， 例如常用的热电偶输出变化， 往往在几毫伏到儿十毫伏之间； 电阻应变片输出电压变化只有几个毫伏； 人体生物电信号仅是微伏量级。 因此， 需要加以放大， 以满足大多数 A/D转换器的满量程输入 5~10 V的要求。

滤波器传感器和电路中的器件常会产生噪声， 人为的发射源也可以通过各种捅合渠道使信号通道感染上噪声， 例如工频传号可以成为一种人为的干扰顿。 这种噪声可以用滤波器来衰减，以提高校拟输入信号的信噪比。

多路模拟开关在数据采集系统中， 往往要对多个物理量进行采集， 即所谓多路巡回检测， 这可通过多路模拟开关来实现。 多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号， 因此、 在多路开关后的单元电路．如采样/保持电路、 A/D 及处理器电路等，只需一套即可，这样节省成本和体积。 但这仅仅在物理且变化比较缓慢、 变化周朗在数十至数百毫秒之间的情况下较合适。因为这时可以使用普通的数十微秒 A/D转换器从容地分时处理这些信号。但当分时通道较多时， 必须注意泄漏及逻辑安排等问题； 当信号频率较高时， 使用多路分路开关后，对 A/D的转换速率要求也随之上升。模拟多路开关有时也可以安排在放大器之前，但当输入的信号电平较低时， 涌注意选择多路模拟开关的类型。 若选用集成电路的模拟多路开关，由于它比干黄或继电器组成的多路开关导通电阻大． 泄漏电流大，因而有较大的误差产生。所以要根据具体情况来选择多路模拟开关的类型。

采样 / 保持器模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样/保持和 A/D转换电路。采样/保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高 A/D转换器的转换精度， 如果把采样/保持电路放在模拟多路开关之前 ( 每道一个 )，还可实现对瞬时信号进行同时采样。

A/D 转换器采样/保持器输出的信号送至模数转换器， 模数转换器是模拟输入通道的关键电路。 由于输入信号变化速度不同，系统对分辨力、精度、转换速率及成本的要求也不同，所以 A/D 转换器的种类也较多， 早期的采样/保持器和模数转换器需要数据采集系统设计人员自行设计，目前普遍采用单片集成电路，有的单片 A/D转换器内部还包含有采样/保持电路、基准电源和接口电路。这为系统设计提供了较大方便。 A/D 转换的结果输出给计算机。

计算机数据采集系统的特点计算机只能处理数字量，绝大多说的执行机构只能接收模拟量，因此需要在数据进入计算机之前将其转化为数字量（A/D转换），在其进入执行机构之前将其转化为模拟量（D/A转换）。采样过程中由于计算机的处理速度非常快，而模拟量的变化速度一般情况下都比较慢。因此，往往一台计算机采样同时控制多个参数，这些参数被计算机控制进行分时采样。在采集过程中，为了保证采集的不同参数量的独立性与完整性，需要用不同的开关去控制对应的参数量，而且计算机在某一时候只能接受某一特定的模拟量，再通过多路模拟开关进行切换，使不同的参数量通过不同的支路分时进入计算机，保证了计算机运行的高效性。在数据采集的过程中，如果模拟量的变化，将直接影响到计算机的采样精度。特别是在同步系统中，多个不相关的参数量取瞬态值的时候，而其A/D转换又是采用同一台计算机，那么采样得到的几个参数量就不是同一时刻的参数量，无法进行数据处理和比较。所以在采样的过程中就需要输入到A/D转换器的模拟量在整个数据采集过程中保持不变，而且要保证在转换之后，A/D转换器的输入信号能够随着参数量发生变化1。

计算机数据采集系统设计一般步骤（1）分析问题和确定任务

在进行系统设计之前， 必须对要解决的问题进行调查研究、 分析论证。 如产品的应用场合、面向的客户类型等。 在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的数据采集任务和技术指标， 确定调试系统和开发软件的手段等。 另外， 还要对系统设计过程中可能遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计的技术路线。

（2）确定采样周期 Ts

采样周期 Ts 决定了采样数据的质量和数量。利用采样定理和系统设指标来确定采样周期。

（3）系统总体设计

在系统总体设计阶段，一般应做以下几项工作。

1）进行硬件和软件的功能分配。一般来说， 多采用硬件，可以简化软件设计工作，并使系统的速度性能得到改善， 但成本会增加， 同时，也因接点数增加而增加不可靠因素。若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活性，降低成本， 但系统的工作速度也降低。要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案时进行合理的功能分配。

2）确定微型计算机的配置方案。可以根据具体情况， 采用微处理器芯片、 单片微型机芯片、单板机、标准功能模板或个人微型计算机等作为数据采集系统的控制处理机。 选择何种机型， 对整个系统的性能、 成本和设计进度等均有重要的影响。

3）操作面板的设计：a、输人和修改源程序；b、显示和打印各种参数；c、工作方式的选择；d、启动和停止系统的运行。为了完成这些功能， 操作面板一般由数字键、 功能键、开关、 显示器件以及打印机等组成。

4）系统抗干扰设计。对于数据采集系统， 其抗干扰能力要求一般都比较高。 因此， 抗干扰设计应贯穿于系统设计的全过程，要在系统总体设计时统一考虑。

硬件设计硬件设计的任务是以所选择的微型机为中心， 设计出与其相配套的电路部分， 经调试后组成硬件系统。采用单片机的硬件设计过程。

（1）明确硬件设计任务。为了使以后的工作能顺利进行， 不造成大的返工， 在硬件正式设计之前， 应细致地制定设计的指标和要求， 并对硬件系统各组成部分之间的控制关系、 时间关系等作出详细的规定。

（2）尽可能详细地绘制出逻辑图、电路图当然，在以后的实验和调试中还要不断地对电路图进行修改，逐步达到完善。

（3）制作电路和调试电路。按所绘制的电路图在实验板上连接出电路并进行调试， 通过调试， 找出硬件设计中的毛病并予以排除，使硬件设计尽可能达到完善。调试好之后，再设计成正式的印刷电路板。

软件设计（1）明确软件设计任务

在软件正式设计之前， 首先必须要明确设计任务。 然后， 再把设计任务加以细致化和具体化，即把一个大的设计任务， 细分成若干个相对独立的小任务， 这就是软件工程学中的 “自顶向下细分 ”的原则。

（2）按功能划分程序模块并绘出流程图

将程序按小任务组织成若干个模块程序， 如初始化程序、 自检程序、采集程序、数据处理程序、打印和显示程序、打印报警程序等， 这些模块既相互独立又相互联系，低一级模块可以被高一级模块重复调用， 这种模块化、 结构化相结合的程序设计技术既提高了程序的可扩充性，又便于程序的调试及维护。

（3）程序设计语言的选择

选用何种语言与硬件选择有关。

（4）调试程序

首先， 对子程序进行调试， 不断地修改出现的错误， 直到把子程序调好为止， 然后再将主程序与子程序连接成一个完整的程序进行调试。其次，调试程序时，在程序中插人断点，分段运行，逐段排除错误。最后，将调试好的程序固化到 EPRO （系统采用微处理器、单板机、单片机时）或存入磁盘（系统采用个人微机时），供今后使用。