實時數據採集系統

數據採集作為信息科學技術領域中一大重要技術，主要指採集信號對象的數據信息，並通過處理機制分析過濾數據和儲存數據。綜合運用數據採集技術、計算機技術、感測器技術和信號處理技術四大信息技術，建立實時自動數據採集與處理系統。

基本介紹

• 中文名：實時數據採集系統
• 外文名：Real time data acquisition system
• 類別：控制科學與工程
• 分類：獨立式和非獨立式
• 目標：實時控制等
• 特點：實現了快速原型仿真法等

研究現狀

數據採集作為信息科學技術領域中一大重要技術，主要指採集信號對象的數據信息，並通過處理機制分析過濾數據和儲存數據。綜合運用數據採集技術、計算機技術、感測器技術和信號處理技術四大信息技術，建立實時自動數據採集與處理系統。

實時數據採集系統最早於上世紀50年代在美國被套用于軍事領域。美國軍方使用數據採集設備完成了測試實驗數據的自動採集，所採集數據信息完整，有效解決了測試試驗數據難以採集的問題。我國在上世紀60年代末就己經進口了數據採集設備，在特定的領域開展套用。

上世紀70年代隨著微機技術的發展，數據採集系統採用智慧型微機技術可以實現簡單的判斷決策功能，相較與之前功能簡單，數據採集系統取得了一定的發展。此時，數據採集系統已經從實驗室推廣套用到工業現場，兩者唯一區別是實驗室數據採集系統使用並行匯流排接口，工業現場數據採集系統使用串列匯流排接口。隨著數據採集系統在工業現場越來越多的套用，其自身智慧型化程度得到很大提高，可靠度增大。

上世紀80年代計算機技術發展迅猛，套用計算機技術的數據採集系統取得了飛躍式發展，與此同時市場上出現了具有通用功能的數據採集設備系統。市場[數據採集系統分為兩種：適用於實驗室或要求較低場景的數據採集設備和適用於工業領域的數據採集設備。前者主要由採集器、儀器錶盤、並行匯流排接口和計算機構成，後者主要由數據採集卡、串列匯流排接口和計算機組成。

在80年代後期，隨著計算機領域嵌入式技術的發展，帶動了數據採集系統的巨大變革。嵌入式技術降低了數據採集系統二次開發的難度，減小了數據採集設備的體積，增強了數據採集系統數據處理能力，表現出智慧型化的特徵。

上世紀90年代，在已開發國家數據採集系統被廣泛套用於航空航天、軍用武器設備、高端工業等領域。伴隨著積體電路技術的提高，單片集成的微型數據採集系統問世了，數據採集技術也迅速發展成一門專業技術，在工業領域的套用越來越廣泛。此時的數據採集系統已經採用功能模組結構，能夠對模組進行簡單的添加、刪除或更改來滿足不同的用戶需求。數據採集系統朝著精度更高、處理速度更快、實時性更強、存儲量更大和集成度更高的方向發展。

數據採集系統實現了計算機系統和物理客觀世界的相連線，數據採集系統採集客觀世界的各類數據信息，並存儲在計算機系統上，通過建立數據統一的數學模型進行數據分析與處理。晶片技術的發展帶來了更快的數據採集速度，網路匯流排技術的發展帶來了更多工業現場匯流排選擇，因此現代數據採集系統數據採集和處理速度有了很大提高。數據採集速度越快，信息完整度越高，數據算法越最佳化數據處理結果更能反映真實的狀況。數據採集系統的智慧型化發展，被視為本世紀信息科學技術進步的重要標誌，為現代控制決策管理提供了強大的基礎支撐。

分類

數據採集系統是信號處理系統的關鍵部分，在現代儀器儀表等領域中得到廣泛套用。按照是否需要PC機參與數據採集控制將數據採集系統分為獨立式和非獨立式兩種。

獨立式數據採集系統也叫做數據記錄器，其發展早於PC時代。其典型的代表為早期的用於繪製地震波形的實時紙帶繪圖儀。獨立式數據採集系統可以完成那些需要長時間來進行數據收集和記錄的任務而無需PC機的參與。通常來說，獨立式數據採集系統既慢又貴。由於用於高速採集的板上存儲器價格不菲，設計者依靠降低採集速率來節省成本，從而限制了採集速率的提高。獨立式數據採集系統通常自帶有顯示及用戶操作器件，這也是其價格昂貴的原因。

非獨立式數據採集系統實際上就是利用PC機強大的數據處理能力、圖形化的編程環境等，建立具有良好人機互動性能的虛擬儀器面板，完成對數據採集系統的控制，並且可以對數據進行分析和顯示。它的各種功能完全由用戶自己定義，可以根據不同的環境和對象，編制不同的程式來實現，具有靈活的可擴展性。

非獨立數據採集系統分為PC內部及PC外部兩大類。基於PCI(Peripheral Component Interconnect，周邊元件擴展接口)匯流排的數據採集系統屬於前者，由於與PC機內部匯流排相連，能提供更高的採樣速率。然而PC機內部空間狹小，又限制了可插入式採集系統的通道數。其次，PC機內密集的各種器件所輻射出的電磁波也成了採集系統EMC(ElectroMagnetic Compatibility)設計時不可忽視的噪聲來源。

目前通用的PC外部接口為USB ( Universal Serial Bus，通用串列匯流排)接口，其相對於可插入PC採集系統具有更好的分立性，更少的外部干擾，更便捷的信號連線。儘管在2000年發布的USB2.0規範中最高傳輸速度己經達到了480Mbps ( 60MB/s ) ，但是很多USB2.0設備在實際工作時的數據傳輸速度卻與此相差甚遠。USB的實時傳輸雖然可以保證傳輸的速率恆定，但由於不進行握手包的確認過程，不能確保實時數據傳輸的正確性。

另外，基於並口的數據採集系統可容納幾百個I/O通道，並可方便的插入或拔出PC；基於串口的數據採集系統可進行長距離連線，其對於長距，分立的採集系統來說是一個不錯的選擇。但二者的數據傳輸速率不高，對於高速數據採集系統而言並不是最佳的選擇。

目標

一般情況下，數據採集系統是專用於某個系統的。當在不同的系統中需要功能相同的模組或功能差別不大的模組時，往往需要進行重複的軟體開發工作。為了提高效率，避免重複的工作有必要開發一個通用的實時數據採集系統。

該系統設計目標有以下：
1.實時控制
2.實時信號處理過程
3.硬體在迴路的仿真或半實物仿真
4.實時線上參數的調整
5.高速的stand alone仿真
6.C程式自動生成器

特點

實時數據採集系統有以下幾個特點：

第一個特點是提供了從系統設計到實現的快速、直接的方法，即實現了快速原型仿真法：在MATLAB和Simulink的基礎上，利用並改造了RTW，因此可以利用快速原型仿真法實現系統從設計到實現的高性能循環。 快速仿真方法將傳統開發過程中的軟體與硬體設計納入了快速循環過程，實現了系統設計的快速循環，從而從根本上節約了傳統開發方法中花費在軟硬體反覆設計中的大量時間。

實時數據採集系統的第二個特點是提供了簡單易用的接口，在套用時只需套用接口即可。 實時數據採集系統的第三個特點是它的體系結構是開放的和可伸展的。實現的系統只採用了pc1726和pc1818各一塊，在系統硬體滿足要求的前提下，可以增加pc1726和pc1818的數量，但這會降低實時反應的時間。在套用時，應該根據需要在實時性能和處理通道數目之間做一個折衷。

工作原理

實時數據採集系統的原理如圖所示。

它的工作情況如下：
通過儀表或感測器檢測被控對象參數，再經過信號變換和模/數、數/數轉換，將參數轉換為相應的數字量，並送入目標計算機。然後，由目標計算機進行必要的計算處理，目標計算機將計算處理的結果送出，經過信號變換和數/模轉換，現通過設備控制對象。主機與目標機相連線，可以在主機上監視和控制系統執行情況。

主機和目標機的通信結構原理如下圖。

主機與目標機之間通過TCP/IP網路相連線，從而可以實現遠程監視和控制。主機和目標機採用客戶/伺服器結構，主機為客戶端，目標機為伺服器端。在目標機上，可執行程式與伺服器端通信程式通過FIFOS管道通信。FIFOS管道傳輸數據信息和控制信息。